摘要
甘蔗（Saccharumspp.hybrid）是全球重要的经济作物，以其用于制糖及其茎秆中具有较高的糖分积累能力而闻名。世界上至少有106个热带和亚热带地区国家中进行甘蔗生产，约贡献全球70%的糖。为满足糖的不断增长需求，研发具有高蔗糖产量的甘蔗品种具有重要意义。 本研究对甘蔗高糖突变体无性系GXB9与其低糖母本品种B9的形态、生理、农艺性状以及转录组和蛋白质组学进行比较研究。甘蔗品种B9是1999年10月从巴西引进的品种，具有广谱适应性、高产的特性，但蔗糖含量相对较低。2013年10月15日，在B9品种的群体中发现了一个高糖突变体，并将其命名为GXB9。经数年田间试验，比较了GXB9和其原始母本B9的表型，结果证明两个基因型具有相似的形态特征，但蔗糖含量始终表现出显著差异，表明GXB9已经发生了突变。 为研究GXB9突变成因，本研究在正常环境下进行田间试验，比较分析GXB9与B9在形态、生理和农艺性状上的变化。同时，在糖分积累和工艺成熟期，采用IlluminaHiseq2000转录组学和TMT定量蛋白质组学对GXB9和B9进行了比较分析，以挖掘与蔗糖代谢和积累相关的基因和蛋白质，并检测了SSR分子多态性。 农艺和生理性状研究结果表明，在多个研究参数中，B9与GXB9之间均有差异。GXB9的发芽率和分蘖率低于B9。其他一些重要参数，如株高、叶长、叶宽、叶面积、节间数、节间长度、节间直径，B9均显著高于GXB9。同样，观测到GXB9和B9间在叶鞘颜色、叶鞘刺、蜡含量、+1叶颜色和形状、叶领毛、叶耳形状和颜色、节间颜色、髓、生长裂缝、芽形态和大小、芽沟及位置之间存在差异。 GXB9和B9间的植物激素含量也有差异。在生长旺盛期，GXB9的赤霉素含量显著高于B9。值得注意的是，在分蘖期，B9中的内源细胞分裂素含量显著高于GXB9。 GXB9和B9间的相对叶绿素含量SPAD和叶绿素a、b含量有一些差异，但不显著。光合作用分析表明，GXB9的净光合速率（Pn）、气孔导度（gs）、蒸腾速率（Tr）显著高于B9。 对纤维素合酶（CeS），细胞壁转化酶（CWIN），蔗糖合酶（SuSy）和蔗糖磷酸合 酶（SPS）等酶基因的qRT-PCR分析也表明GXB9和B9之间存在差异。相对表达量分析表明，与蔗糖代谢和积累有关的基因，如CeS、CWIN、SuSy和SPS在GXB9中上调表达，且其表达水平高于B9。GXB9的SuSy、CWIN、CeS基因在未成熟节间的表达水平高于成熟节间，而其成熟节间中SPS的表达水平高于未成熟节间。 甘蔗品质性状分析表明，GXB9的出汁率、蔗汁重力纯度、蔗汁锤度、蔗汁蔗糖分和甘蔗蔗糖分均高于B9。产量及其构成因素调查结果表明，GXB9的单茎重比B9低，但每公顷有效茎数比B9高，而GXB9的理论甘蔗产量却低于B9。 SSR分析结果表明，甘蔗基因型GXB9、B9和GT32之间存在遗传差异。 在蔗糖积累和成熟阶段对GXB9与B9进行了转录组分析。在蔗糖积累阶段的转录组分析共产生了112,170个unigene，并且有106,026（94.52％）个unigene能够在NR、GO、COG、KEGG、Swiss-Prot和Pfam公共数据库得到注释。在成熟阶段的转录组分析共获得了100,262个unigene，且有69,637个（69.46％）unigene在公共数据库得到注释。对unigene的功能注释分析表明，它们在多种代谢途径中均活跃存在。比较分析了B9和GXB9未成熟节间(int.5,6)和成熟节间(int.13,14)与蔗糖代谢和积累相关的重要差异表达unigene（DEG）的特性。蔗糖磷酸合酶（SPS；EC2.4.1.14），蔗糖合酶（SuSy；EC2.4.1.13）和转化酶（EC3.2.1.26）是重要的酶，在蔗糖的生物合成和蔗糖分解中起作用。蔗糖磷酸合酶（SPS1，SPS2，SPS4，SPS5）的DEGs表达在GXB9成熟节间显著上调表达，而在B9中则下调表达。SuSy和转化酶（CWIN，A/NINV）合成相关的DEGs主要在GXB9的未成熟节间上调表达，参与海藻糖合成的DEGs在GXB9的未成熟和成熟节间下调表达并在B9中上调表达。在GXB9成熟节间中SPS合成相关的DEPs上调表达而在B9中下调表达，这与GXB9突变体中较高的蔗糖积累有关。此外，GXB9中海藻糖合成相关的DEGs下调表达而在B9中上调表达可能是由于突变引起的。这也可能与GXB9中较高的蔗糖积累有关。 用TMT定量方法进行了GXB9与B9相比较的蛋白质组发现，总共鉴定出27,922种蛋白质。其中7,484（26.80％）个蛋白在COG、GO、Nr、Pfam和KEGG数据库中获得blast功能注释。与B9相比，在GXB9的未成熟节间（int.5,6）和成熟节间（int.13,14）中总共鉴定出3102种差异表达蛋白（DEP）。与B9相比，在GXB9成熟节间中，SPS蛋白（SPS2、SPS5）上调表达，而SuSy、CWIN、NIN1、CINV2蛋白下调表达。形态、生理、分子和农艺性状以及转录组学和蛋白质组学分析获得的数据表明，GXB9与B9存在显著差异，从而证实在GXB9基因型中发生了自发突变，使蔗茎中的蔗糖显著高于B9，并产生了形态、生理和农艺性状上的变化。因此，可以肯定地得出结论，GXB9是突变体，与B9相比具有更高的SPS表达水平，增强了其在茎中的蔗糖积累能力。
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