《Plant Stress》：Identification of the Sugarcane Invertase Gene Family with Deciphering the Key Role of
ShN/AINV3.1 in Drought Stress Response
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本研究针对甘蔗复杂基因组导致其关键酶——蔗糖转化酶(INV)基因家族鉴定不全面的问题，利用甘蔗品种‘新台糖22号’(XTT22)的端粒到端粒(T2T)完整基因组，系统性鉴定了225个蔗糖转化酶基因，揭示了其在多倍体基因组中的显著扩张。研究发现一个定位于叶绿体的关键基因ShN/AINV3.1受干旱诱导表达，其过表达可通过促进蔗糖水解为葡萄糖、提高过氧化氢酶(CAT)活性，协同增强甘蔗的耐旱性。该研究为甘蔗抗旱分子育种提供了重要的基因资源和理论依据。
在全球气候变化加剧的背景下，干旱等非生物胁迫对作物生产的威胁日益严重。作为世界最重要的糖料作物，甘蔗贡献了全球约80%的蔗糖产量，但其高度复杂的多倍体基因组严重制约了传统育种效率。特别是在干旱胁迫下，甘蔗的光合作用和新陈代谢会受到影响，导致产量和品质下降。因此，解析甘蔗抗旱的分子机制，挖掘关键抗逆基因，对保障食糖安全生产具有重要意义。
蔗糖转化酶作为催化蔗糖不可逆水解为葡萄糖和果糖的关键酶，在植物糖代谢、能量分配及胁迫响应中扮演着核心角色。然而，由于甘蔗基因组的极端复杂性，特别是栽培品种基因组组装的不完整性，长期以来阻碍了对蔗糖转化酶基因家族的系统性研究。
近期发表在《Plant Stress》上的一项研究，利用甘蔗品种‘新台糖22号’的端粒到端粒完整基因组，对甘蔗蔗糖转化酶基因家族进行了全面解析。研究人员通过BLAST和隐马尔可夫模型(HMM)搜索，共鉴定出225个蔗糖转化酶基因，数量显著多于玉米、高粱和水稻等近缘作物，揭示了该基因家族在甘蔗多倍体基因组中的显著扩张。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：基于T2T基因组的生物信息学分析用于基因家族鉴定；系统进化树构建和共线性分析用于解析基因家族进化特征；启动子顺式作用元件分析预测基因调控潜能；RNA测序(RNA-seq)和实时荧光定量PCR(RT-qPCR)技术分析基因表达模式；亚细胞定位实验确定蛋白的细胞内位置；以及转基因技术结合生理生化指标测定验证基因功能。
3.1. 蔗糖转化酶基因家族分析
研究将225个蔗糖转化酶分为两个主要进化枝：Group I（含Glyco_hydro_100结构域，101个成员）和Group II（含Glyco_hydro_32结构域，124个成员）。分子特征分析显示，这些基因在氨基酸长度、等电点(pI)和分子量等方面存在较大变异。值得注意的是，先前报道的与甘蔗分蘖和株高相关的ShN/AINV3.1基因与甘蔗野生种AP85-441中的同源基因序列高度保守。
3.2. 基因组定位、复制事件和共线性分析
225个基因分布于63条染色体和5个基因组scaffold上，在Chr4和Chr6同源群呈现明显的复制"热点"。复制事件分析表明，基因家族扩张主要受片段重复驱动（占84.0%），串联重复也贡献了17.0%的等位基因扩张。与两个甘蔗野生种基因组（LA-purple和AP85-441）的共线性比较揭示了复杂的进化轨迹。
3.3. 组织特异性表达谱和启动子顺式元件分析
表达谱分析显示蔗糖转化酶基因具有显著的组织特异性。大多数基因的启动子区富含光响应、激素响应（生长素、赤霉素、脱落酸、水杨酸、茉莉酸甲酯）及逆境响应（厌氧、干旱、低温）等顺式作用元件，表明其广泛参与发育调控和胁迫适应。
3.4. 干旱表达谱、RT-qPCR和亚细胞定位分析
干旱胁迫下，185个基因呈现动态表达响应，其中52个基因在所有时间点均上调表达。关键基因ShN/AINV3.1在干旱胁迫下显著诱导表达，RT-qPCR验证了其干旱诱导特性。亚细胞定位实验证实ShN/AINV3.1蛋白定位于叶绿体，提示其可能参与光合作用中的糖代谢过程。
3.5. 甘蔗的耐旱性
功能验证表明，过表达ShN/AINV3.1能提高甘蔗叶片葡萄糖含量和过氧化氢酶活性，促进植株生长。在自然干旱和聚乙二醇(PEG)模拟干旱条件下，转基因植株的存活率（>65%）显著高于野生型（<40%），叶片保持部分绿色，表现出更强的耐旱性。
研究结论与讨论部分指出，该研究首次基于T2T基因组完成了甘蔗蔗糖转化酶基因家族的系统性鉴定，揭示了其在多倍体基因组中的扩张模式和进化特征。启动子分析表明该家族基因具有响应多种激素和逆境的调控潜能。核心基因ShN/AINV3.1被证实是一个定位于叶绿体的多功能调控因子，其通过"代谢-信号-抗氧化"整合网络增强甘蔗耐旱性：一方面通过促进蔗糖水解增加能量供应；另一方面可能通过己糖信号激活抗氧化防御系统（如提高CAT活性），缓解干旱引起的氧化损伤。
这项研究不仅为甘蔗糖代谢和胁迫响应机制提供了新见解，而且鉴定出的关键基因为甘蔗抗旱分子育种提供了有价值的遗传资源。研究者提出的"代谢-信号"整合模型为理解作物胁迫适应机制提供了新视角。未来通过基因编辑等技术进一步验证家族其他成员的功能，并深入解析ShN/AINV3.1与己糖信号、抗氧化系统的分子互作，将有助于全面揭示甘蔗抗旱的分子网络。
