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甘蔗(Saccharum spp)是一种经典的C4高光效作物。甘蔗光合相关的分子生物学机制是研究人员重点关注领域,但由于其复杂的遗传背景和长期以来生物学手段的限制,关于甘蔗C4光合途径的分子网络调控机制依然鲜为人知。陆生植物C4类型的光合代谢途径中主要有7个关键酶基因,分析这些关键酶基因的演化与表达,是解析C4光合途径的分子网络调控机制的重要基础工作。为此,本研究通过比较基因组学,结合甘蔗割手密基因组,比较鉴定了甘蔗光合代谢途径关键酶基因,并通过比较基因组学结合甘蔗叶片(光合器官)的梯度发育叶段的基因表达谱和甘蔗不同时期不同组织的表达谱,以鉴定C4类型基因。主要结果如下:(1)通过Phytozome数据库,下载代表性的4个C3植物(水稻、Scribner’s黍、拟南芥、葡萄)、3个C4植物(高粱、玉米、小米)和2个CAM植物(菠萝、兰花)的光合途径的7个家族基因。进一步以近缘作物高粱、玉米为参考基因搜索已测序的甘蔗基因组中7个家族基因,注释了甘蔗C4光合途径的主要相关7个家族基因(CA、PEPC、PPCK、NADP-MDH、NADP-ME、PPDK、PPDK-RP),共24个成员,67个基因序列,其中平均每个基因鉴定到3等位基因单倍型。并对10个植物的7个基因家族分别构建聚类进化树。比较玉米、高粱已鉴定的C4类型基因,预测甘蔗7个酶基因家族中,其中CA基因家族存在2个C4类型CA基因:SsC41和SsCA2,其余6个酶各有一个C4类型基因,分别是SsPEPC1、SsPPCK1、SsNADP-MDH2、SsNADP-ME2、SsPPDK1、SsPPDK-RP2。(2)分析甘蔗7个光合代谢途径基因家族的等位基因,基因结构图分析表明,除了 PPDK-RP基因家族和PPCK基因家族的等位基因之间的结构不保守,其余5个家族基因的等位基因之间的结构都相对保守。值得关注的是,C4类型基因SsCA1和SsCA2各有2个等位基因,其中SsCA1的1个等位基因AP851089992,氨基酸长度为425 Aa,外显子数目为13个,不管是在氨基酸长度上还是外显子个数上都是SsC 1和SsCA2中其余3个C4类型等位基因的双倍,这些数据初步表明AP851089992可能是融合了邻近的2个串联重复的基因。蛋白质同源性比较的结果显示,各个基因家族的C4类型基因的等位基因之间的同源性高。Ka/Ks分析结果显示,7个基因家族中,甘蔗与高粱C4类型基因之间的Ka/Ks<0.40,说明甘蔗与高粱分化后,C4类型基因经历了较强的纯化选择,是功能保守性的基因。(3)在单子叶植物中,从叶片的基部到叶尖是以一个非常规则且连续的方式分化的。在本研究中,选取甘蔗叶片4个代表性叶段进行石蜡切片和电镜切片,结果显示4个代表性叶段的叶绿体是逐步成熟的。甘蔗梯度发育叶段的转录组表达谱显示,除了SsPPCK1,其余6个酶的C4类型基因都有相似的表达模式,从叶片基部到尖部表达量逐步增加,并且比非C4类型基因有更高的表达量(高出2.60-530.50倍)。比较玉米的C4类型基因的表达谱可以发现,甘蔗与玉米有相似的表达模式,说明甘蔗与玉米的关键酶调控分子机制相近。分析7个酶在4个甘蔗种(3个原始种和1个杂交种)的不同生长周期不同组织的表达差异,结果显示,与叶段中的表达相似,除SsPPCK1,6个光合酶基因的C4类型基因在叶中高表达,且C4类型基因在割手密中比另外3个甘蔗种有较高的表达量。本研究系统的分析了甘蔗光合代谢基因家族中7个关键酶的演化与表达,首次揭示了甘蔗属植物C4类型基因的基因组特征,也为进一步研究甘蔗中光合代谢关键酶基因调控机制奠定了基础。