匡博文 趙極瀚 李思程 韋妳 馮夢(mèng)凡 楊細(xì)平

摘 要：纖維素是植物根系的主要成分之一，在植物抗倒伏中起到關(guān)鍵作用。CesA7 是控制纖維素合成的重要基因，在甘蔗中的功能未知。以水稻OsCesA7 基因?yàn)閰⒖夹蛄校诟收岣钍置埽⊿accharum spontaneum）、甘蔗雜交栽培品種（Saccharum spp. hybrid）、甘蔗熱帶種（S. officinarum）3 個(gè)基因組中進(jìn)行同源分析及功能預(yù)測(cè)?；谠摶蚣捌渫椿虻倪M(jìn)化分析顯示雜交栽培品種的CesA7 基因和熱帶種的CesA7 基因更為接近，禾本科植物有明顯的聚類，但不能區(qū)分草本植物和木本植物。甘蔗CesA7 基因的啟動(dòng)子區(qū)域含有大量的光反應(yīng)和茉莉酸甲酯元件，說(shuō)明該基因可能參與植株的光形態(tài)建成和甘蔗抗逆反應(yīng)。啟動(dòng)子和蛋白互作預(yù)測(cè)表明CesA7 基因與MYB 轉(zhuǎn)錄因子存在互作，說(shuō)明其在作物生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫響應(yīng)中起到一定作用。此外，水稻和高粱中CesA 蛋白的功能預(yù)測(cè)顯示，其參與調(diào)控了纖維素合成和木質(zhì)素降解過(guò)程。通過(guò)對(duì)7 個(gè)甘蔗及其近緣屬代表種質(zhì)的苗期根和葉的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)CesA7 基因在根中表達(dá)量遠(yuǎn)高于葉，推測(cè)該基因參與調(diào)控甘蔗根系的發(fā)育。在甘蔗及近緣屬不同種質(zhì)中對(duì)該基因進(jìn)行SNP 變異檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在割手密中核苷酸多態(tài)性最高。外顯子區(qū)域的核苷酸多態(tài)性明顯高于內(nèi)含子區(qū)域，在基因第4 個(gè)外顯子（2000 bp 左右）區(qū)域的多態(tài)性最高，推測(cè)在該位點(diǎn)可能經(jīng)受平衡選擇造成不同等位基因的功能分化。借助多序列比對(duì)結(jié)合重測(cè)序數(shù)據(jù)分析，本研究挖掘了2 個(gè)可區(qū)分割手密和熱帶種的潛在分子標(biāo)記。該研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究和利用CesA7 基因改良甘蔗品種提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：甘蔗；纖維素；CesA7 基因；進(jìn)化分析

中圖分類號(hào)：S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

甘蔗是廣西重要的經(jīng)濟(jì)作物，其占全國(guó)每年食糖產(chǎn)量的60%以上[1]。由于廣西地處華南地區(qū)，受臺(tái)風(fēng)、季風(fēng)影響較大，容易造成蔗區(qū)大面積倒伏。甘蔗倒伏是造成甘蔗減產(chǎn)的重要原因之一。倒伏的蔗莖含糖量降低，機(jī)械收獲過(guò)程損失大[2]。李翔[3]在對(duì)甘蔗抗倒伏性評(píng)價(jià)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，倒伏和抗倒伏品種中甘蔗的纖維素含量在莖稈和根部存在較大的差異。倒伏品種莖中纖維素的含量遠(yuǎn)高于其他品種；抗倒伏品種GT42 根中纖維素含量遠(yuǎn)高于其他品種。根系中纖維素和木質(zhì)素含量越高，植物抗拉強(qiáng)度和固土效能越好[4]。

植物根中纖維素含量占根系主要成分的50%左右，有時(shí)甚至高達(dá)90%[5]。蘋(píng)果和水稻中的相關(guān)研究表明，纖維素相關(guān)合成基因調(diào)控植物根系的發(fā)育[6-8]。

纖維素合成酶基因家族CesA 對(duì)植物纖維素的合成起到至關(guān)重要的作用。在擬南芥中，AtCesA7、AtCesA7 和AtCesA7 三個(gè)基因被認(rèn)為與植物次生細(xì)胞壁中纖維素的合成有關(guān)[9-11] 。

ZHONG 等[12]在AtCesA7 基因突變型中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于野生型其細(xì)胞壁厚度和纖維素含量明顯減少。通過(guò)在野生型中過(guò)表達(dá)該突變體的cDNA，不僅會(huì)導(dǎo)致次生細(xì)胞壁變薄和纖維素含量降低，還會(huì)阻礙細(xì)胞伸長(zhǎng)和原生細(xì)胞壁增厚。同樣，WANG 等[13]發(fā)現(xiàn)在水稻中OsCesA7 基因的突變會(huì)導(dǎo)致植株機(jī)械強(qiáng)度降低，節(jié)間伸長(zhǎng)減少，在苗期造成輕度的矮化。由此可見(jiàn)，CesA 基因家族起著調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的作用。隨著對(duì)該基因家族深入研究，發(fā)現(xiàn)其在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，還存在著組織特異性表達(dá)。巨龍竹是世界上已知最高大的竹類植物，其參與細(xì)胞壁合成的基因數(shù)量遠(yuǎn)大于處于同一亞科的竹類植物[14]。通過(guò)測(cè)定不同組織間的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)量發(fā)現(xiàn)，參與初生壁合成的2 個(gè)基因從筍尖到幼嫩節(jié)組織的表達(dá)量呈上升趨勢(shì)[15]。毛竹中CesA 基因表達(dá)也存在著組織差異，其在筍和根中的表達(dá)量較高，說(shuō)明這些基因參與了次生壁的木質(zhì)化過(guò)程。CesA 基因與MYB 轉(zhuǎn)錄因子存在強(qiáng)烈的共表達(dá)，王新悅等[16]通過(guò)qRTPCR、酵母單雜等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一事實(shí)，MYB 轉(zhuǎn)錄因子能夠與CesA 基因啟動(dòng)子的元件結(jié)合，進(jìn)一步對(duì)基因進(jìn)行調(diào)控。

纖維素相關(guān)基因?qū)τ谥参锷L(zhǎng)發(fā)育，尤其是根的發(fā)育存在重要的影響。目前，在甘蔗中有關(guān)纖維素基因的研究相對(duì)較少。對(duì)纖維素性狀改良有利于提高甘蔗的抗逆能力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提高。本研究以水稻中已完成功能驗(yàn)證的OsCesA7 基因在甘蔗基因組中進(jìn)行同源分析，通過(guò)進(jìn)化關(guān)系、蛋白結(jié)構(gòu)域、啟動(dòng)子、表達(dá)量及蛋白互作等分析，對(duì)甘蔗CesA7 基因進(jìn)行功能預(yù)測(cè)，探究該基因與植株生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫的關(guān)系，以期為后續(xù)甘蔗研究和利用CesA7 基因提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 CesA7 同源基因的篩選及進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建

在水稻RGAP 數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//rice.uga.edu/）下載OsCesA7 基因（LOC_Os10g32980.1）的蛋白序列，通過(guò)NCBI 的Blastp 功能在NR 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行同源比對(duì)分析，比對(duì)參數(shù)中Max target sequences設(shè)置為1000，其余參數(shù)均為默認(rèn)值。使用BLAST（v.2.12.0）本地化程序，將OsCesA7蛋白與甘蔗割手密（AP85-441，四倍體基因組）[17]、熱帶種（LApurple，八倍體基因組，數(shù)據(jù)未發(fā)表）、栽培種（R570，二倍體基因組）[18]基因組數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，分析甘蔗中的同源情況。比對(duì)結(jié)果中的物種分類主要參考中國(guó)科學(xué)院植物研究所植物物種信息系統(tǒng)–植物智（http：//www.iplant.cn/）。

為了更好構(gòu)建進(jìn)化關(guān)系，結(jié)合文獻(xiàn)查閱[19-20]，保留在植物進(jìn)化關(guān)系中較為關(guān)鍵的物種。對(duì)Blast結(jié)果進(jìn)行篩選。篩選后的序列在MEGA-X 軟件中使用ClustalW 比對(duì)程序進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果使用鄰接法（neighbor-joining method， NJ）進(jìn)行進(jìn)化樹(shù)構(gòu)建。Bootstrap Replications 參數(shù)設(shè)置為1000。

建樹(shù)結(jié)果在在線網(wǎng)頁(yè)iTOL（https：//itol.embl.de/）中進(jìn)行美化。

1.2 甘蔗 CesA7 基因的保守結(jié)構(gòu)域和啟動(dòng)子順式作用元件分析

甘 蔗 CesA7 基因的蛋白保守結(jié)構(gòu)域使用NCBI 中的CDD（conserved domain database）功能進(jìn)行分析。選取基因位置前2 kb 作為基因的啟動(dòng)子。使用PlantCare（http：//bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/plantcare/html/）在線軟件對(duì)啟動(dòng)子順勢(shì)作用元件進(jìn)行分析。以上結(jié)果使用TBtools（v1.098721）軟件中的Gene Structure View（Advanced）功能進(jìn)行作圖。

1.3 甘蔗 CesA7 基因的SNP 變異檢測(cè)

以 OsCesA7 在栽培種R570 的甘蔗同源基因Sh01_p017850 為參考序列，在實(shí)驗(yàn)室已有全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)中，挑選割手密、大莖野生種、熱帶種、栽培種各5 個(gè)樣品進(jìn)行SNP 變異檢測(cè)。使用GATK（v.4.2.5.0）分析流程軟件在Linux 系統(tǒng)中進(jìn)行分析。設(shè)置窗口大小為200 bp，通過(guò)vcftools（v.0.1.16）軟件計(jì)算核苷酸多態(tài)性（Pi）值，對(duì)物種間的SNP 進(jìn)行評(píng)估。使用R（version4.1.2）軟件中的ggplot 包對(duì)得到的Pi 值進(jìn)行繪圖。

1.4 甘蔗 CesA7 基因的可變剪切和表達(dá)水平分析

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的甘蔗參考轉(zhuǎn)錄本和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取。將參考轉(zhuǎn)錄本使用BLAST（v.2.12.0）軟件構(gòu)建本地化數(shù)據(jù)庫(kù)，以甘蔗CesA7基因作為query 序列進(jìn)行比對(duì)，提取最優(yōu)的比對(duì)結(jié)果并查看可變剪切事件。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分別來(lái)自于斑茅BM（Saccharum arundinaceum）、印度種KAT（S. barberi）、大莖野生種N57（S. robustum）、熱帶種NJ（S. officinarum）、割手密Y83（S.spontaneum）、中國(guó)種YBA（S. sinense）、雜交栽培品種ZZ1（Saccharum spp. hybrid）7 個(gè)甘蔗近緣屬代表物種的苗期根和葉的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。不同轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)量選用TPM（Transcripts PerKilobase Million）方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后比較，TPM代表每百萬(wàn)mapped reads 中每kb 轉(zhuǎn)錄本上的reads 數(shù)。

1.5 甘蔗 CesA7 基因的蛋白質(zhì)相互作用預(yù)測(cè)

通過(guò) STRING（https：//cn.string-db.org/）在線蛋白質(zhì)互作數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)同源蛋白的互作情況進(jìn)行分析。水稻OsCesA7 基因選擇對(duì)應(yīng)的水稻數(shù)據(jù)庫(kù)。

由于甘蔗在該庫(kù)中不存在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，因而選擇和它親緣關(guān)系較近的高粱CesA7 基因進(jìn)行分析。

1.6 甘蔗 CesA7 基因的比較及分子標(biāo)記預(yù)測(cè)

結(jié)合多序列比對(duì)結(jié)果和重測(cè)序數(shù)據(jù)變異檢測(cè)對(duì)CesA7 等位基因進(jìn)行分析，同時(shí)預(yù)測(cè)區(qū)分不同種群的分子標(biāo)記。使用Jalview（v. 2.11.2.2）軟件展示多序列比對(duì)結(jié)果，比較等位基因間序列結(jié)構(gòu)差異；使用IGV（v. 2.11.6）軟件可視化變異檢測(cè)結(jié)果，查看不同群體間序列變異情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物 CesA7 基因篩選及進(jìn)化分析

以 水 稻 OsCesA7 基因的編碼蛋白序列為Query，在NCBI 數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)Blastp 比對(duì)，篩選到95 個(gè)水稻OsCesA7 的同源基因（Score>1000，E 值均為0），其中49 個(gè)基因來(lái)自木本植物，46個(gè)來(lái)自草本植物（表1）。在甘蔗中，同樣以水稻OsCesA7 基因的編碼蛋白序列為Query，利用割手密、熱帶種、雜交栽培品種3 個(gè)物種的蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行本地化Blast 比對(duì)，篩選到該基因在甘蔗種內(nèi)的同源基因（Score>1000，E 值均為0）。

由于割手密和熱帶種是多倍體基因組，目標(biāo)基因在割手密中有2 個(gè)等位基因（Sspon.01G0026480-1A 和Sspon.01G0026480-2B），在熱帶種中有5 個(gè)等位基因（Soff.01G0006640-1A、Soff.01G0006640-2B、Soff.01G0006640-3C、Soff.01G0006640-4F 和Soff.01G0006640-5G），在雜交栽培品種R570 中有1 個(gè)等位基因（Sh01_p017850）。

以 OsCesA7 及其同源基因序列構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)（圖1），結(jié)果顯示禾本科被聚為一類（穇子除外）。甘蔗CesA7 基因聚為一類，與多個(gè)黍亞科的物種同處一個(gè)分支，與高粱和芒的親緣關(guān)系更為接近，與擬南芥的距離較遠(yuǎn)。纖維素和木質(zhì)素含量在木本竹和草本竹中存在較大差異[21]，纖維素合成基因CesA7 與植物細(xì)胞次生壁的合成密切相關(guān)[13]。以該纖維素基因構(gòu)建的進(jìn)化關(guān)系顯示，除禾本科的物種單獨(dú)聚類外，草本植物和木本植物融合在一起，推測(cè)可能需要多個(gè)纖維素和木質(zhì)素合成相關(guān)基因才能更好地區(qū)分草本和木本植物。

2.2 甘蔗 CesA7 基因的保守結(jié)構(gòu)域及啟動(dòng)子順式作用元件分析

甘蔗 CesA7 基因含有5 個(gè)類型的結(jié)構(gòu)域，其中 2 個(gè)與纖維素的合成有關(guān)（PLN02915 superfamily、Cellulose_synt superfamily），3 個(gè)與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)（IF4E superfamily、RING_Uboxsuperfamily、Glyco_tranf_GTA_type superfamily）（圖2A）。R570（Sh01_p017850）和割手密的一個(gè)單倍型（S.spon.01G0026480-2B）均缺少了真核生物啟動(dòng)因子的結(jié)構(gòu)域（IF4E superfamily），可能導(dǎo)致二者與其他等位基因的功能分化。

甘蔗 CesA7 基因的啟動(dòng)子含有16 種類型的啟動(dòng)子順式作用元件，其中光反應(yīng)（light responsiveelement）和茉莉酸甲酯調(diào)控（MeJA-responsiveelement）的元件最多（圖2B）。熱帶種中Soff.01G0006640-4F 和生長(zhǎng)素（auxin responsive element）、脫落酸（abscisic acid responsive element）、光反應(yīng)調(diào)控的相關(guān)反應(yīng)元件最多，熱帶種中光反應(yīng)調(diào)控元件是割手密2 倍左右。割手密和栽培種每個(gè)等位基因茉莉酸甲酯的調(diào)控元件均含有4 個(gè)，而熱帶種平均僅存在1 個(gè)左右。茉莉酸甲酯能激發(fā)植物防御基因的表達(dá)，誘導(dǎo)植物的化學(xué)防御[22]，與植物的環(huán)境適應(yīng)能力有關(guān)。

2.3 甘蔗 CesA7 基因的核苷酸多樣性分析

甘蔗 CesA7 基因（以栽培種R570 的等位基因Sh01_p017850 為參考序列）的SNP 數(shù)量從高到低為割手密（206）、熱帶種（155）、大莖野生種（144）和雜交栽培品種（122）。該基因的核苷酸多態(tài)（Pi）性在甘蔗種間的變化趨勢(shì)相近，總體表現(xiàn)為割手密最高，雜交栽培品種最低（圖3）。核苷酸多態(tài)性在基因不同區(qū)段存在差異，在第4 個(gè)外顯子（2000 bp 左右）的核苷酸多態(tài)性最高，推測(cè)該基因在此位點(diǎn)經(jīng)受平衡選擇，導(dǎo)致不同等位基因的功能分化。雜交栽培品種的核苷酸多態(tài)性較低，低于其2 個(gè)祖先種割手密和熱帶種，說(shuō)明雜交栽培品種CesA7 基因在高貴化育種過(guò)程中經(jīng)受長(zhǎng)期的人工選擇，遺傳基礎(chǔ)相對(duì)狹窄。

2.4 甘蔗 CesA7 基因的可變剪切和表達(dá)量分析

將甘蔗CesA7 基因與本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的甘蔗可變剪切數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，僅有熱帶種的2 個(gè)單倍型存在可變剪切事件。Soff.01G0006640-1A 僅存在A5剪切事件；Soff.01G0006640-2B 同時(shí)存在A5 和RI 兩個(gè)剪切事件（A5：一個(gè)外顯子的3端存在剪切；RI：內(nèi)含子保留事件，2 個(gè)外顯子保留了中間的內(nèi)含子組成一個(gè)新的外顯子）（圖4A）。

通過(guò)與本實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的7 個(gè)甘蔗及近緣屬材料苗期根和葉轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該基因在不同物種間表達(dá)存在較大差異，且根中表達(dá)量要遠(yuǎn)高于葉（圖4B）。根中表達(dá)量從高到低依次為雜交栽培品種、熱帶種和割手密等，葉中表達(dá)量最高為大莖野生種。割手密具有強(qiáng)大的根系，該基因在根系表達(dá)低于雜交栽培品種、熱帶種，推測(cè)其表達(dá)在不同時(shí)期會(huì)有差異，且割手密中的單倍型對(duì)根系發(fā)育起到更強(qiáng)的作用。

2.5 甘蔗 CesA7 蛋白相互作用預(yù)測(cè)

由于甘蔗缺少相應(yīng)的蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)，本研究利用在線數(shù)據(jù)庫(kù)分析了CesA7 基因在水稻和高粱中蛋白的互作關(guān)系。結(jié)果顯示，水稻OsCesA7 基因在水稻中與OS05T0135500-01 蛋白（逆境脅迫響應(yīng)有關(guān)，控制過(guò)氧化物分解、木質(zhì)素的生物合成和降解），OsJ_04040 蛋白（與木質(zhì)素降解有關(guān)），OsJ_26048（MYB 家族轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控纖維素基因表達(dá)），BC1 蛋白（與次生細(xì)胞壁中半纖維素的合成有關(guān)），OS03T0287800-00 蛋白（與纖維素在細(xì)胞表面累積有關(guān)），2 個(gè)CesA 蛋白（參與次生細(xì)胞壁的合成）存在互作關(guān)系（圖5A）。同時(shí)，分析高粱CesA7 基因（Sb01g019720.1）的蛋白互作關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其與Sb09g027990.1 蛋白（細(xì)胞色素b561 結(jié)構(gòu)域蛋白），Sb07g003320.1 蛋白（MYB 家族轉(zhuǎn)錄因子），Laccase-13 蛋白（與木質(zhì)素降解有關(guān)），Sb02g025020.1 和Sb03g034680.1蛋白（與纖維素合成有關(guān)）存在互作關(guān)系。水稻OsCesA7 基因及高粱CesA7 基因的蛋白互作預(yù)測(cè)均與纖維素合成、木質(zhì)素降解有關(guān)，同時(shí)也受到MYB 家族轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，這和啟動(dòng)子順勢(shì)元件分析中存在MYB 調(diào)控區(qū)域的結(jié)果相符合。

2.6 甘蔗 CesA7 的等位基因比較及分子標(biāo)記預(yù)測(cè)

通過(guò)比較甘蔗CesA7 等位基因的序列差異，以設(shè)計(jì)分子標(biāo)記進(jìn)行區(qū)分。比較甘蔗CesA7 的8個(gè)等位基因，共篩選到4 個(gè)位點(diǎn)進(jìn)一步分析（圖6）。位點(diǎn)1 和位點(diǎn)2 為短的插入缺失，分別位于該基因的第3 和第4 號(hào)外顯子上，在等位基因間分別存在14 bp 和9 bp 的差異。位點(diǎn)3 和位點(diǎn)4位于第6 號(hào)外顯子上，為G/C 的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)。將甘蔗割手密、熱帶種和雜交栽培品種的全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)比對(duì)到該基因上，以進(jìn)一步驗(yàn)證這4 個(gè)潛在分子標(biāo)記的真實(shí)性。比對(duì)結(jié)果均表明分子標(biāo)記真實(shí)存在，特別是位點(diǎn)3 和位點(diǎn)4為熱帶種和割手密的特異性標(biāo)記，可用于鑒定甘蔗種質(zhì)是否為熱帶種、割手密或含有二者血緣。

甘蔗CesA7 的等位基因的分析顯示位點(diǎn)1 和位點(diǎn)2 在熱帶種和割手密具有差異，但全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)顯示該差異在2 個(gè)甘蔗種間均存在。因?yàn)槿蚪M重測(cè)序數(shù)據(jù)選取的樣品更多，因而判定位點(diǎn)1 和位點(diǎn)2 不具備熱帶種和割手密種間差異。

3 討論

甘蔗為多倍體植物，生物量大，其地上部龐大的生物量需要地下部強(qiáng)大的根系支持。植物根系的發(fā)育受到纖維素基因的調(diào)控，纖維素參與植物根系的壯大和營(yíng)養(yǎng)吸收。纖維素含量越高，植物根系抗拉固土能力越強(qiáng)[23]。因而，增加甘蔗地下部纖維素的含量，有助于壯大甘蔗的根系，提高甘蔗抗倒伏、抗旱、養(yǎng)分吸收能力。

本研究以水稻中纖維素合成基因OsCesA7 為參考序列，在甘蔗和其他物種中進(jìn)行比對(duì)及篩選到OsCesA7 的同源基因。本研究利用甘蔗7 種種質(zhì)苗期不同部位的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)根中纖維素同源基因的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉，說(shuō)明該纖維素基因參與了甘蔗的根系發(fā)育。以單個(gè)纖維素基因構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)來(lái)看，僅有個(gè)別分支全為草本和木本植物。可見(jiàn)，單個(gè)基因?qū)τ趨^(qū)分草本和木本植物仍舊是有限的。

多個(gè)纖維素和木質(zhì)素基因的效應(yīng)累加可能才是導(dǎo)致草本和木本植物存在差異的原因[21]。

現(xiàn)代甘蔗商業(yè)品種，是由熱帶種和割手密雜交產(chǎn)生的，其基因組起源于割手密的部分僅占20%左右[24]，說(shuō)明甘蔗雜交栽培品種包含有更多的熱帶種血緣。從進(jìn)化關(guān)系來(lái)看，甘蔗栽培品種R570 也和熱帶種LA Purple 更為接近。通過(guò)對(duì)甘蔗CesA7 等位基因的蛋白序列進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)等位基因均含有纖維素合成相關(guān)的結(jié)構(gòu)域。啟動(dòng)子分析中發(fā)現(xiàn)等位基因含有MYB 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)，這和蛋白互作預(yù)測(cè)中與MYB轉(zhuǎn)錄因子互作的結(jié)果相符合。MYB 轉(zhuǎn)錄因子在植物生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)代謝、脅迫響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，該基因可能參與調(diào)控這些過(guò)程[25]。同時(shí)，該纖維素基因還與其他纖維素基因存在互作，協(xié)同控制纖維素合成。在毛竹中也有類似發(fā)現(xiàn)的報(bào)道[16]，推測(cè)禾本科中該類基因存在類似的調(diào)控模式。此外，在啟動(dòng)子分析中發(fā)現(xiàn)每個(gè)甘蔗CesA7等位基因都含有激素調(diào)控和逆境脅迫相關(guān)的元件，說(shuō)明該基因可能與甘蔗抗逆有關(guān)。熱帶種中激素調(diào)控和光反應(yīng)調(diào)控的元件最多，這可能是導(dǎo)致其和割手密纖維素含量存在較大差異的原因之一[26]。割手密CesA7 等位基因存在較多茉莉酸甲酯調(diào)控元件，對(duì)于逆境脅迫的響應(yīng)更為靈敏。研究表明，割手密種質(zhì)具有纖維素產(chǎn)量高等優(yōu)良品質(zhì)，是甘蔗近緣屬中遺傳變異潛力最大的物種[27]。

熱帶種鮮重高于割手密，但其干重僅為割手密一半左右，這種差異可能是由二者纖維素含量不同導(dǎo)致[26]。為了評(píng)估現(xiàn)有種質(zhì)對(duì)甘蔗纖維素改良的效果，本研究對(duì)甘蔗割手密、大野、熱帶種及雜交栽培品種4 個(gè)物種進(jìn)行了SNP 變異檢測(cè)。結(jié)果顯示，割手密中該基因的核苷酸多態(tài)性較高，說(shuō)明針對(duì)纖維素性狀改良來(lái)說(shuō)，割手密種質(zhì)有更大的潛在利用價(jià)值。

4 結(jié)論

本研究利用纖維素CesA7 基因的蛋白序列構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)基因未能區(qū)分草本和木本植物。甘蔗CesA7 基因中存在纖維素合成相關(guān)結(jié)構(gòu)域，其啟動(dòng)子區(qū)域的光反應(yīng)調(diào)控和茉莉酸甲酯調(diào)控元件最多，同時(shí)還存在MYB 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。蛋白互作預(yù)測(cè)顯示CesA 蛋白與其他纖維素相關(guān)蛋白存在互作關(guān)系。轉(zhuǎn)錄組分析顯示該基因在苗期根中表達(dá)量遠(yuǎn)高于葉。甘蔗近緣屬種質(zhì)中割手密CesA7 基因具有最高的核苷酸多態(tài)性。本研究通過(guò)多序列比對(duì)結(jié)果結(jié)合重測(cè)序比對(duì)，發(fā)現(xiàn)了2 個(gè)可區(qū)分割手密和熱帶種的潛在分子標(biāo)記。

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