萝卜蔗糖合酶和蔗糖转化酶全基因组鉴定与表达特征分析开题报告

课题的意义、国内外研究进展、应用前景等（列出主要参考文献）

1.1研究意义

蔗糖是高等植物光合作用的主要产物，也是碳从源器官到库器官的移动形式，蔗糖在作物生长和产量形成过程中起着重要作用^[1]。蔗糖在库器官中不能被直接利用，必须通过蔗糖合成酶(sucrose synthase, SuSy)或蔗糖转化酶(invertase, INV)分解后才能广泛参与植物体的新陈代谢、细胞结构的组成^[2]，同时它还作为信号传导物质调节绿色植物的生长、发育、逆境胁迫等多种生理过程^[3,4]。SUS和INV是植物进行蔗糖代谢的关键酶，控制着植物体内糖分的合成和运输，在植物的生长发育、代谢活动以及作物品质调控等方面发挥重要作用。

蔗糖合成酶是植物蔗糖代谢调节中的关键酶之一，在小麦胚芽中首次被Cardini等^[5]发现，它以多种同工酶的形式在植物组织中存在^[6]，已经在拟南芥^[7]，玉米^[8]，番茄^[9]，水稻^[10]等多种植物中进行了研究。近年来，随着植物基因组测序的完成，越来越多植物的SUS基因家族成员被鉴定，如无籽蜜柚^[11]、桃子^[12]、谷子^[13]等。

萝卜（Raphanus sativus L.）是我国重要的蔬菜作物，栽培历史悠久，品种资源丰富。膨大的肉质直根是萝卜的主要产品器官，是萝卜“源-库”关系中的一个重要的库。萝卜肉质根的膨大与其产量和品质密切相关，其库强主要取决于“源-库”间的蔗糖浓度梯度。蔗糖在调控根重比方面扮演着极其重要的角色。一方面，可以作为代谢产物和韧皮部运输的底物，另一方面，又可以通过调节相关基因的表达从而促进源和库的发展，是决定光合产物在源库间分配的重要影响因子。萝卜贮藏根、根系、正在发育的叶与叶柄等都可以作为库从源中获得有机物。当库中蔗糖含量高时，势必就会降低源库间的蔗糖浓度梯度，阻止了蔗糖向库的卸载，从而降低库器官对同化物的竞争能力。因此在根冠比小的萝卜品种中由于肉质根中蔗糖含量相对较高，影响了蔗糖向肉质根中的卸载，从而阻碍了肉质根的进一步膨大。通过研究萝卜SUS和INV的全基因组信息以及分析其表达特征，有助于深入了解萝卜肉质直根形成的遗传与分子机制，为萝卜提高产量和品质改良提供理论依据。

1.2国内外研究进展

1.2.1蔗糖合酶

研究表明，植物蔗糖合成酶家族是一个小基因家族，所含基因数量不多，但不同植物中基因成员数差别较大。冯志娟等^[14]从全基因组水平共鉴定到菜用大豆 11 个 GmSUSs 编码蔗糖合酶。玉米 SuSy 家族共有 5个成员^[15]。在柑橘中鉴定出3个SUS基因^[16]，水稻、拟南芥和橡树中均发现6个SuSy基因^[17-19]，大豆中鉴定出12个SUS基因^[20]，以及谷子和葡萄中分别鉴定出9和5个SuSy基因^[13,21]。所有SUS蛋白序列高度保守，均含有蔗糖合成结构域以及糖基转移酶结构域。

基因表达研究发现，SUS家族成员具有组织表达特异性。在柑橘中，CitSUSA在柑橘的果实发育过程阶段其表达水平呈上升趋势，而CitSUS1则表现为下降趋势，这表明CitSUSA与CitSUS1具有不同的表达模式^[16]。在大豆中，对蔗糖合成酶突变体植株的研究发现SUS酶活性降低会导致根部中根瘤菌固氮能力减弱，部分组织器官发生退化，植株抗逆能力变差等现象^[20]。同样研究发现，SoSUS1在甘蔗的叶片、叶鞘以及茎中均有表达，但在茎中的表达量远高于其他部位，说明甘蔗茎中的含糖量高于其他部位^[22]。SUS家族成员除了具有组织特性，参与植物的生长发育过程外，还与植

物对逆境胁迫的应答等方面有关。吕金印等^[23]通过对生育后期的不同小麦品种进行干旱处理，发现抗旱品种长武134的蔗糖合成酶活性显著高于敏感品种郑引1号，且旗叶中的蔗糖和淀粉积累速率明显高于后者，表明植物蔗糖合成酶可能参与了植物的抗旱过程。王旭明等^[24]在孕穗期对水稻进行盐胁迫处理，结果显示在轻度盐胁迫下水稻叶片中蔗糖合成酶(SS)活性增强，蔗糖和淀粉的积累量增加，植物抗逆性得到加强;但随着盐浓度的增大，SS活性明显降低，蔗糖合成速率降低，植株生长表现出明显的抑制现象。覃鸿妮等^[25]通过对几种类型玉米品种进行不同的种植密度模式试验，结果显示种植密度对蔗糖含量和蔗糖合成酶的活性影响较大，高密度的种植方式不利于叶片中蔗糖的积累。李晓旭等^[26]对发菜进行干旱处理，发现在干旱胁迫下SUS2的转录水平和表达量都明显提升，检测发现叶片中蔗糖积累量增加。这些研究表明，植物蔗糖合成酶基因家族成员在植物的生长发育以及抗逆境胁迫过程中有着重要作用。

随着植物基因组测序技术的发展，目前已完成了对拟南芥、水稻、大豆和谷子等作物中SUS家族基因成员的全基因组的鉴定和功能分析工作，但对于萝卜SuSy基因家族的研究尚不多见。王玮^[27]等以根冠比差异明显的萝卜高代自交系为材料，对肉质根不同发育阶段的碳水化合物含量、蔗糖合酶、转化酶活性的变化进行分析，结果显示，肉质根中蔗糖合酶的活性变化与肉质根库活性的变化趋势基本一致，且低根冠比品系蔗糖合酶活性相对高于高根冠比品系，推测蔗糖合酶可能是调节肉质根蔗糖水平、控制肉质根库活性的关键酶。黄丹琼^[28]等对萝卜蔗糖合酶进行了分子水平的研究，成功地分离克隆萝卜蔗糖合酶基因RsSuSy1、RsSuSy6的基因组序列与高、低根冠比萝卜品系中相对应的转录本序列。基因表达特性研究表明，RsSuSy1在肉质根（库）中高丰度表达，高根冠比品系表达丰度高于低根冠比品系；不同发育阶段表达水平的变化与肉质根库活性的变化趋势基本一致；推测RsSuSy1基因与库器官形成和发育密切相关，且其转录丰度与萝卜肉质根大小成正相关关系。不同根冠比品系中RsSuSy6基因的表达差异较大，其主要表达部位为成熟叶片（源），推测基因功能为分解蔗糖，为叶片的生长提供能量和底物，与库器官的形成与发育关系不大。

1.2.2转化酶

按亚细胞定位，蔗糖转化酶可分为细胞壁蔗糖转化酶、液泡蔗糖转化酶和细胞质蔗糖转化酶;按最适pH划分，可分为酸性转化酶和中性转化酶。细胞壁蔗糖转化酶、液泡蔗糖转化酶归为酸性转化酶，而细胞质蔗糖转化酶归为中性转化酶。酸性转化酶的最适pH为3.0~5.0，因为它可以分解蔗糖和其他β-果糖类寡糖，又被称为β-呋喃果糖苷酶。酸性转化酶又分为可溶性的液泡蔗糖转化酶和不溶性的细胞壁蔗糖转化酶2种形式。两类转化酶不仅可以催化蔗糖的裂解，而且可以催化其他果糖糖苷如苏糖、棉子糖等。研究表明，这2种形态的转化酶是由两类完全不同的基因家族编码的。不同形式的转化酶在植物不同发育阶段和不同组织中的作用也不同。