广西大学张积森团队揭示甘蔗原始种间光合和糖积累反馈的分子机制

甘蔗（Saccharum spp. hybrids） 是全球重要的蔗糖生产作物，成熟的茎秆可储存高达0.7 M的蔗糖，甘蔗中的蔗糖生产依赖于叶片的光合作用和向茎的运输，但蔗糖的过度积累会抑制光合作用。因此，了解蔗糖对光合作用的反馈调控机制对于提高甘蔗产量至关重要。然而，甘蔗中蔗糖对光合作用的负反馈调节机制的研究还很有限。割手密种和高贵种是现代栽培甘蔗的两个核心原始种，尽管高贵种的含糖量更高，但在单位面积上，高贵种的光合效率低于割手密种。

近年来，广西大学张积森教授团队对两个甘蔗原始种的光合已经糖分代谢等关键性状分化进行了系统的研究，并取得了一系列进展。团队揭示了这两个甘蔗原始种的基因组与甘蔗的C4光合特征（Zhang et al., Nature Genetics. 2018）；通过比较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）；又以这两个甘蔗核心原始种为研究对象，通过对其进行叶片发育梯度和昼夜节律的转录组分析，发现两个甘蔗原始种糖分积累的差异可能与主要碳水化合物代谢和氧化戊糖磷酸途径的富集相关，同时Rubisco的差异调控也可能造成了两个甘蔗种光合作用能力的差异（Jiang et al., The Plant Journal. 2023）。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。

近日，广西大学张积森教授团队在Plant Journal上发表了题为 “Divergence in the effects of sugar feedback regulation on the major gene regulatory network and metabolism of photosynthesis in leaves between the two founding Saccharum species”的研究论文，通过比较转录组，13CO2脉冲标记以及分析差异代谢物等方法，分析了外源蔗糖处理下两个甘蔗核心原始种割手密种和高贵种叶片中基因和代谢物的差异，我们的研究增强了对甘蔗叶片中蔗糖负反馈调控光合作用机制的理解，并为深入解析两个甘蔗原始种中光合分化和糖积累的不同分子机制提供了见解。

研究显示外源蔗糖处理后，割手密种和高贵种叶片基部的蔗糖含量均增加，叶片的光合作用均受到抑制，且割手密种和高贵种中大量下调的差异表达基因（DEGs）在光合作用相关通路中富集。然而，基因表达模式在两个甘蔗原始种中存在显著差异，只有少数差异表达基因（DEGs）在割手密种和高贵种之间共享，表明了它们对外源蔗糖的不同反应。PEPC、Rubisco小亚基编码基因（RBCS）以及一些与糖响应或糖代谢相关的基因在割手密种和高贵种中表现出不同的共表达模式。此外，参与磷酸戊糖途径以及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢的DEGs在割手密种中独特富集，这可能导致了两个甘蔗核心原始种叶片中蔗糖含量的差异变化。

综上，该研究分析了蔗糖负反馈调控光合过程中两个甘蔗核心原始种在基因水平和代谢水平上的差异响应和调节，为甘蔗中蔗糖诱导的光合抑制的遗传和代谢基础提供了见解，并加强了对两个甘蔗原始种如何进化出不同的调节策略来平衡蔗糖合成和光合作用的理解。

福建农林大学与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联培博士生石会红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博士后华秀婷为论文共同第一作者，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积森教授和福建农林大学唐海宝教授为论文共同通讯作者，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樊宪伟教授，福建农林大学硕士生赵东旭，广西大学博士生许娟娟，广西大学已毕业硕士李敏等参与了本研究。该研究得到了国家重点研发计划（2021YFF1000104、2021YFF1000101和2024YFF1000800）、广西科技重大专项（AA24206023、AB24153006和AA24206006）和国家自然科学基金（32272196和U24A20387）等项目的资助。

主要参考文献：

[1] Zhang J, Zhang X, Tang H, Zhang Q, Hua X, et al. Allele-defined genome of the autopolyploid sugarcane Saccharum spontaneum L. Nat Genet. 2018 Nov;50(11):1565-1573. doi: 10.1038/s41588-018-0237-2. Epub 2018 Oct 8. Erratum in: Nat Genet. 2018 Dec;50(12):1754. doi: 10.1038/s41588-018-0293-7.

[2] Zhang Q, Hua X, Liu H, Yuan Y, Shi Y, Wang Z, Zhang M, Ming R, Zhang J. Evolutionary expansion and functional divergence of sugar transporters in Saccharum (S. spontaneum and S. officinarum). Plant J. 2021 Feb;105(4):884-906. doi: 10.1111/tpj.

[3] Jiang Q, Hua X, Shi H, Liu J, Yuan Y, Li Z, Li S, Zhou M, Yin C, Dou M, Qi N, Wang Y, Zhang M, Ming R, Tang H, Zhang J. Transcriptome dynamics provides insights into divergences of the photosynthesis pathway between Saccharum officinarum and Saccharum spontaneum. Plant J. 2023 Mar;113(6):1278-1294. doi: 10.1111/tpj.

https://doi.org/10.1111/tpj.70019