Plant Journal | 张积森团队解析甘蔗高贵种与割手密种光合途径分化的转录组动力学

甘蔗产量达19亿吨，是全球生物量最高的作物，也是全球最重要的糖料作物。甘蔗生产的食糖占世界的80%，占我国的90%。现代栽培甘蔗是最成功利用种间杂种优势的高光合C4作物，高贵种和割手密种是现代栽培甘蔗品种的主要遗传背景，是甘蔗的两个核心原始种。其中热带种又名高贵种 （Saccharum officinarum） ，具有高糖分、低光合等特点，割手密种又称细茎野生种 （Saccharum spontaneum） ，相比高贵种其光合高，而糖分较低。张积森研究组长期研究这两个甘蔗原始种的基因组与关键性状分化，前期揭示了甘蔗的C4光合途径以NADP-ME脱羧为主 （Zhang et al., Nature Genetics. 2018） ，并研究了甘蔗核心原始种的分化，阐述了甘蔗核心原始种形成和全基因组复制事件的时间 （Zhang et al.,Plant Biotechnology Journal. 2018） ；比较了两个甘蔗原始种种间糖转运子的分化特征，揭示了糖转运子基因家族种间功能分化 （Zhang et al.,The Plant Journal. 2020） ；解析了割手密种种质资源演化，系统解析了高贵种和割手密种中的关键农艺性状相关基因的基因组学差异 （Zhang et al.,Nature Genetics. 2022） 。以上研究为探究两个甘蔗原始种光合作用和糖分积累差异的分子机制奠定了基础，深入解析高贵种和割手密种的光合过程，有助于了解光合作用驱动下的糖代谢，对探究甘蔗种间差异和提高甘蔗产量具有重要的理论意义。

近日，张积森团队在The Plant Journal在线发表了题为Transcriptome dynamics provides insights into divergences of photosynthesis pathway between Saccharum officinarum and Saccharum spontaneum的研究论文。该论文以两个甘蔗核心原始种高贵种和割手密种为研究对象，通过对其进行叶片发育梯度和昼夜节律的转录组分析，探究了两个甘蔗原始种光合作用和糖分积累差异的分子机制，结果表明两个甘蔗原始种糖分积累的差异可能归因于主要碳水化合物代谢和氧化戊糖磷酸途径的富集，同时Rubisco的差异调节也可能造成了两个甘蔗种光合作用能力的差异。

光合分化涉及沿高度规则的线性发育梯度的形态发生和细胞器生物发生程序，确定主要代谢活动沿近端-远端叶片梯度的重编程可能提供了两个甘蔗原始种种间光合能力差异的线索。光合作用驱动的糖分合成是植物昼夜节律的关键代谢输出，其中外源糖对植物光合作用产生积极或消极影响。此外，糖和光信号不同地响应昼夜节律，从而形成维持糖稳态的高点。因此，昼夜节律是连接光合作用和糖代谢的最佳途径。综上，该研究构建了一个包含叶片发育梯度和昼夜节律共198个RNA-seq文库。分别分析了不同发育叶段和不同时间点的差异表达基因（DEGs），结果表明高贵种和割手密种叶片发育梯度主要差异在源组织上，而昼夜节律上则存在2小时的位移偏差。

该研究对高贵种和割手密种的叶片发育梯度转录组进行了共识矩阵和动态重编程分析，共识矩阵结果显示两个甘蔗种共享九种相似的表达模式，但略有差异。根据基因表达模式，将模块分为四个发育阶段：叶片基部、过渡区、成熟区和叶片尖端。近一半的DEGs以叶片基部模式呈现。其中48.48%的基因在割手密种中，48.95%的基因在高贵种中，表明这两个甘蔗种在叶片基部中的基因功能保持不变，同时两个网络之间模块保存度较低，仅共享了不到63.76%的基因。使用K-Means聚类通过发育动力学对基因进行分组。在高贵种和割手密种中鉴定了八个clusters（K1-K8），结果表明源组织比库组织具有高水平的分化。最后利用MapMan注释对八个基因簇进行功能类别，揭示了在叶片基部基因主要维持细胞结构、核苷酸代谢和信号传导的建立。库到源的过渡区主要集中于光合作用和碳水化合物代谢途径，其次是与细胞壁相关的途径。成熟区的光合作用、主要碳水化合物代谢和氧化还原作用显著丰富。在叶片尖部，基因表达几乎完全致力于光合作用。值得注意的是，主要碳水化合物代谢在高贵种的富集水平高于割手密种。氧化磷酸戊糖途径（OPP）是黑暗中葡萄糖降解的主要途径。淀粉降解产生葡萄糖，为叶片呼吸和夜间持续的蔗糖合成提供基质。该研究发现OPP在割手密种中没有富集，而在高贵种叶片基部区域富集，表明高贵种基部组织中的葡萄糖代谢和细胞呼吸可能比割手密种更活跃。

为进一步探究差异形成的主要机制，该研究通过对叶片发育区段进行主要功能区划分，并对昼夜节律进行表达节律和相位分析，借助共表达网络的共识矩阵和代谢组学数据，绘制了甘蔗光呼吸代谢草图，其中光呼吸途径中的七个基因：RBCS，甘油酸激酶（GLYK），羟基丙酮酸还原酶（HPR），谷氨酸:乙醛酸氨基转移酶（GGAT），AGT，SHMT1和亚硫酸盐还原酶（SiR）呈现出不同的昼夜节律表达模式。值得注意的是，RBCS在高贵种中没有表现出明显的昼夜节律，这表明与割手密种相比，RBCS对割手密种的昼夜节律更为敏感。利用TO-GCN识别RBCS的上游调节因子，结果发现两个甘蔗种之间没有共享的调节因子。因此，Rubisco的差异调节可能造成了两个甘蔗种光合作用能力的差异。

张积森课题组已毕业硕士生姜庆（福建农林大学海峡联合研究院基因组中心） 、广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室华秀婷博士和福建农林大学博士生石会红为论文共同第一作者，张积森教授为通讯作者。福建农林大学海峡联合研究院基因组中心唐海宝教授、福建农林大学海峡联合研究院基因组中心明瑞光（Ray Ming）教授和广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室张木清教授参与了本研究。中国科学院上海植物逆境生物学研究中心细胞生物学平台为该研究提供了技术支持。同时该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验、广东省科技基金、国家高科技研究发展计划国家留学基金委等项目的联合资助。

参考文献

[1] Zhang J , Zhang X , Tang H , et al. Publisher Correction: Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L[J]. Nature Genetics, 2018, 50(12).

[2] Zhang J , Zhang Q , Li L , et al. Recent Polyploidization Events in Three Saccharum Founding Species[J]. Plant Biotechnology Journal, 2018, 17(1):847-852.

[3] Zhang Q, Hua X, Liu H, et al. Evolutionary expansion and functional divergence of sugar transporters in Saccharum (S. spontaneum and S. officinarum). The Plant Journal. 2021;105(4):884-906.

[4] Zhang Q, Qi Y, Pan H, et al. Genomic insights into the recent chromosome reduction of autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum. Nature Genetics. 2022;54(6):885-896..

论文链接：

https://doi.org/10.1111/tpj.16110