SPS家族基因在甘蔗蔗糖分差异种间的基因型分析

Sucrose phosphate synthetase (SPS) is the key enzyme for synthesis of sucrose in sugarcane. There are five associated genes, those play an important positive role in sucrose accumulation efficiently. The genetic variation analysis of SPS genes of the different sucrose producing materials leads to exploit sucrose accumulation and thus enhance marker assisted breeding in sugarcane. Sugarcane belongs to the allopolyploid plants, having a lot of haplotypes which undergoes artificial selection pressure for a long time. The effects of each SPS genes as different genotypes greatly varied regarding sucrose accumulation. Genetic evolution of different genotypes having diverse effects on sucrose accumulation not clearly understood yet. Therefore, we intend to detect the varying effects of SPS genes regarding sucrose synthesis in sugarcane from the same parent’s combination. By this experimentation, 5 species of Saccharum were tested against Oryza sativa, Sorghum bicolor and Zea mays as control using cloning the SPS gene and different genotypes sequences at both DNA and cDNA level. By analyses their molecular evolution, genetic variation, alternative splicing, DNA methylation and expression status there is a clear relationship observed among different haplotypes having different genotypes greatly varied sucrose synthesis in sugarcane. This study will help to clarify sucrose metabolism in sugarcane and helps marker assisted selection as well as conventional breeding.

蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase, SPS）是甘蔗蔗糖合成的关键调控酶，共有5个家族基因，对甘蔗糖分的高效积累具有重要正向作用。开展该基因在甘蔗属种间及甘蔗蔗糖分差异材料间的遗传变异研究，对甘蔗糖分的积累和分子辅助育种研究具有重要意义。甘蔗属于异源多倍体植物，同一甘蔗品种拥有多种单倍型，在长期人工选择压力下，SPS家族基因不同单倍型对糖分积累是否具有差异，高效单倍型的特点是什么，其遗传进化特点与糖分性状进化关系是什么，目前还不清楚。因此，本研究拟选取甘蔗属蔗糖分差异显著材料为研究对象，从DNA和cDNA水平克隆SPS家族基因不同单倍型序列，通过各基因型的遗传变异、分子进化、可变剪接、DNA甲基化和表达分析，确定不同单倍型基因与不同种间蔗糖分差异的关系，为甘蔗高糖育种研究奠定基础。

蔗糖磷酸合成酶是甘蔗蔗糖合成的关键酶，对蔗糖分合成具有重要的正向作用，但该基因在蔗糖分差异种间的单倍型数目、遗传变异、表达特点、不同时期的甲基化特点不清楚，阻碍糖分性状分子辅助育种。通过该项目的实施，以甘蔗属热带种、大茎野生种和细茎野生种作为参照，对10份甘蔗高低糖材料SPSA、B、DIII、DIV基因家族进行单倍型克隆、遗传变异解析，对不同单倍型的表达特点以及该家族基因在甘蔗分蘖期、拔节期和成熟前期的甲基化水平的研究。结果表明：SPS家族基因共获得单倍型数目分别为32（SPSA）、39（SPSB）、32(SPSDIII)、31(SPSDIV)，平均SNP密度分别为55.9、42.5、25.16、10.56bp/SNP，cDNA分析表明，正向选择效应单倍型对甘蔗糖分积累具有促进作用，在所有基因单倍型中，基因表达量较高的单倍型只有2-3个。SPSA基因在叶片、茎径和茎尖均有表达；SPSB基因主要在叶片上表达，成熟前期叶片表达量最高；SPSDIII基因在不同品种间表达量具有差异，单倍型在不同品种中表达具有差异，因此该基因不同单倍型的表达差异可能是影响蔗糖合成效率的关键因素；SPSDIV基因只有一种单倍型在叶片上高效表达。SPS家族基因DNA甲基化分析表明，SPSA基因在茎中甲基化水平高于叶片和茎尖，成熟前期高于拔节期；SPSB基因在叶片的甲基化水平最高，SPSIII基因的甲基化与其表达具有一定相关性,在茎中表达量较高，甲基化水平最低，而在茎尖中表达量较低，甲基化水平较高，且拔节期甲基化水平最显著；SPSDIV基因不同组织部位甲基化无明显差别。通过SPS家族基因的单倍型分析，明确了SPS家族基因正向选择效应单倍型，阐明了高低糖材料在甘蔗分蘖期、拔节期和成熟前期主要表达的SPS基因单倍型，弄清不同单倍型在甘蔗蔗糖分差异种间不同组织部位的表达差异，为高效单倍型分子标记开发奠定了基础。