王明 肖鑫輝 應(yīng)東山 等

摘要：【目的】搜索鑒定木薯腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）的基因家族成員，并分析其生物學(xué)信息及不同組織和非生物脅迫下的表達(dá)情況，為木薯AGPase基因的功能挖掘及淀粉性狀遺傳改良提供理論依據(jù)?！痉椒ā繌哪臼砘蚪M數(shù)據(jù)庫（Phytozome）下載木薯全基因組序列，從中篩選含NTP_transferase（Pfam編號PF00483）保守結(jié)構(gòu)域序列的AGPase基因家族成員，利用生物信息學(xué)方法對其結(jié)構(gòu)特征及編碼蛋白序列進(jìn)行分析?；贜CBI轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）數(shù)據(jù)，對木薯AGPase基因家族成員在不同組織及冷害和干旱脅迫下的表達(dá)模式進(jìn)行分析。【結(jié)果】從木薯全基因組序列中共鑒定出9個AGPase基因家族成員，包含6個AGPase大亞基（LS）基因和3個小亞基（SS）基因。6個LS基因在長度和編碼氨基酸數(shù)目上差異明顯，但3個SS基因間的差異不明顯。LS基因外顯子數(shù)目為8～15個，SS基因外顯子數(shù)目均為9個。9個木薯AGPase基因家族成員分布于8條染色體和1個scalefold中，未在染色體上發(fā)現(xiàn)串聯(lián)成簇分布現(xiàn)象。木薯AGPase基因家族啟動子區(qū)域含有多個干旱響應(yīng)元件、光響應(yīng)元件、激素響應(yīng)元件及多種除干旱外的其他非生物脅迫響應(yīng)元件。9個AGPase基因家族成員在不同木薯組織間的表達(dá)模式具有組織特異性。經(jīng)冷害脅迫后，除MeAGL1.3基因外，其余8個基因表達(dá)量均極顯著（P<0.01，下同）或顯著（P<0.05，下同）下調(diào);經(jīng)干旱脅迫后，MeAGL1.4、MeAGS1.1、MeAGS1.2和MeAGS2基因表達(dá)量極顯著或顯著下調(diào)，MeAGL1.3基因的表達(dá)量顯著上調(diào)，其余基因與對照無顯著差異（P>0.05）?！窘Y(jié)論】木薯AGPase基因家族成員具有保守的基因結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)域，其表達(dá)具有組織特異性，大多數(shù)成員表達(dá)水平受冷害和干旱脅迫調(diào)控。

關(guān)鍵詞： 木薯;腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶基因（AGPase）;生物信息學(xué);組織;干旱;冷害;表達(dá)分析

中圖分類號： S533.035.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-1191（2019）02-0222-08

Abstract：【Objective】Gene family members of ADP-glucose pyrophosphorylase（AGPase） in cassava were identified， their bioinformatics and expression in different tissues and under various abiotic stresses were analyzed. This would provide reference for mining functions of gene AGPase and genetic improvement of starch characters. 【Method】Cassava whole genome sequences were downloaded from cassava genome data（Phytozome）. The AGPase gene family members with NTP_transferase（Pfam number PF00483） conserved domain sequence were selected， then their structure characters and the encoded protein sequence were analyzed by bioinformatics. Based on data of NCBI transcriptome sequencing（RNA-seq）， the expression patters of cassava AGPase gene family members in different tissues， chilling stress and drought stress were studied. 【Result】Nine AGPase gene family members were identified from cassava whole genome sequence， including six large subunit（LS） genes and three small subunit（SS） genes. The difference in length and encoded amino acid amount among the six LS genes was large， but the difference among the three SS genes was small. LS genes contained eight-fifteen extrons， all of SS genes contained nine extrons. The cassave AGPase genes were distributed in eight chromosomes and one scalefold，and no cluster distribution was found on chromosomes. Moreover， the promoter regions of AGPase genes usually harbored drought-，light-，hormone- and other abiotic stresses-responsive elements in cassava， and the nine AGPase genes were tissue-specific expressed in cassava. Furthermore， except for MeAGL1.3 gene，the other eight genes were extremely（P<0.01， the same below） or significantly（P<0.05， the same below） down-regulated under chilling stress. Four genes MeAGL1.4， MeAGS1.1，MeAGS1.2 and MeAGS2 were extremely or significantly down-regulated and MeAGL1.3 up-regulated under drought stress condition. Other genes had no significant difference compared with control（P>0.05）. 【Conclusion】Cassava AGPase gene family members contain conserved gene structure and functional domain， their expressions are tissue-specific. Most of the members are regulated by chilling and drought stresses.

Key words： cassava; ADP-glucose pyrophosphorylase gene（AGPase）; bioinformatics;? tissue; drought; chilling; expression analysis

0 引言

【研究意義】木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯類作物之一，享有“淀粉之王”的美稱，主要種植于熱帶及非洲和亞洲的亞熱帶地區(qū)，為全球糧食安全提供保障（Burns et al.，2010）。淀粉是植物儲藏碳水化合物和能量的主要形式，也是食品、飼料等加工領(lǐng)域中重要的原材料。腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）是淀粉生物合成途徑中的第一個限速酶，通過轉(zhuǎn)化葡萄糖1-磷酸（GLC-1-P）和ATP來限制催化反應(yīng)。因此，利用生物信息學(xué)方法研究木薯AGPase基因家族，揭示其成員數(shù)量、理化特性、染色體分布、基因結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系和時空表達(dá)特征等，對木薯淀粉合成途徑的遺傳改良具有重要指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物體內(nèi)淀粉的合成主要受腺苷二磷酸—葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、淀粉合成酶（SS）、淀粉分支酶（SBE）和淀粉脫支酶（DBE）等關(guān)鍵酶基因控制（Tuncel and Okita，2013）。其中，AGPase活性與直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉的積累速率和灌架速率呈極顯著正相關(guān)，是淀粉合成過程中的主要限速酶（周彩琴和王麗娟，2011）。抑制AGPase活性將直接抑制部分甚至全部淀粉的合成，如轉(zhuǎn)基因小麥的AGPase基因過量表達(dá)時植株淀粉含量顯著增加，但導(dǎo)入反義抑制的AGPase基因后淀粉合成量顯著降低（Saripalli and Gupta，2015）。此外，非生物脅迫如高溫和干旱也可抑制AGPase活性，從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量顯著降低（Saripalli and Gupta，2015）。AGPase蛋白為異源四聚體，由兩個相似的小亞基（Small subunit，SS）和兩個相似的大亞基（Large subunit，LS）組成，由不同的核基因編碼，LS的分子量為54～60 kD，SS分子量為51～55 kD（Georgelis et al.，2007）。由于LS是酶活性的調(diào)節(jié)中心，而SS是酶活性的催化中心，故SS的氨基酸序列保守性較LS高（Georgelis et al.，2007）。目前，已從水稻、玉米、小麥和馬鈴薯中克隆獲得多個AGPase基因（Shaw and Hannah，1992;Nakata et al.，1994;Thorneycroft et al.，2003;Rose et al.，2016）。近年來，隨著木薯基因組測序的完成，為發(fā)掘木薯AGPase基因提供了便利條件（Bredeson et al.，2016）?！颈狙芯壳腥朦c】目前，有關(guān)AGPase的研究主要集中于溫帶禾本科植物，而針對熱帶作物的研究較少，尤其是木薯AGPase的基因數(shù)目、染色體分布等相關(guān)研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】從木薯基因組數(shù)據(jù)庫（Phytozome）中搜索木薯AGPase基因家族序列，利用生物信息學(xué)方法對其編碼蛋白的理化性質(zhì)、基因結(jié)構(gòu)和功能域等進(jìn)行預(yù)測分析，為木薯AGPase功能基因的挖掘及性狀遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 木薯AGPase基因家族成員鑒定

從Phytozome數(shù)據(jù)庫下載木薯全基因組序列。以NTP_transferase（Pfam編號PF00483）保守結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列為原始檢索序列，利用BLASTP程序（1e-5）在木薯基因組序列中進(jìn)行搜索，獲得NTP_transferase的同源序列，并將其在Pfam和NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)一步比對驗證，去除重復(fù)冗余序列，即為候選木薯AGPase基因家族成員，其蛋白質(zhì)理化性質(zhì)（分子量大小、等電點等）利用ExPASy ProtParam進(jìn)行預(yù)測。

1. 2 木薯AGPase基因家族結(jié)構(gòu)分析

利用Gene Structure Display Server繪制AGPase基因家族成員的外顯子—內(nèi)含子結(jié)構(gòu)圖，對其基因全長、編碼區(qū)和非編碼區(qū)長度及內(nèi)含子和外顯子數(shù)目進(jìn)行分析。

1. 3 木薯AGPase保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測及染色體分布分析

采用MEME 4.11.1分析木薯AGPase保守結(jié)構(gòu)域，基序最大數(shù)目設(shè)置為10，基序長度設(shè)為6～200個氨基酸（Bailey et al.，2006）。利用MG2C繪制染色體分布圖。

1. 4 系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹構(gòu)建

使用ClustalX 1.8對木薯、水稻、玉米、擬南芥、高粱和馬鈴薯AGPase蛋白質(zhì)進(jìn)行氨基酸序列比對?；诙嘈蛄斜葘Y(jié)果，以MEGA 7.0采用鄰接法（Neighbor-Joining）構(gòu)建AGPase的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹（Kumar et al.，2016）。

1. 5 木薯AGPase基因家族啟動子分析

從Phytozome數(shù)據(jù)庫中提取各木薯AGPase基因家族成員起始密碼子上游2000 bp基因組序列，利用PlantCARE預(yù)測其順式作用元件，并以TBtools繪制啟動子順式元件圖形（Chen et al.，2018）。

1. 6 木薯AGPase基因家族表達(dá)模式分析

AGPase基因在11個木薯組織（易碎胚性愈傷組織、須根、側(cè)芽、葉、中脈、體細(xì)胞起源的胚性組織、葉柄、根尖分生組織、莖尖分生組織、莖和儲藏根）中的原始轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)來源于NCBI數(shù)據(jù)庫（登錄號PRJNA324539）（Wilson et al.，2017）。4 ℃冷害脅迫24 h和20% PEG-6000干旱脅迫6 h后AGPase基因的原始轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)均來源于NCBI數(shù)據(jù)庫（登錄號PRJNA377165）（Li et al.，2017）。首先，利用SRA Toolkit將測序數(shù)據(jù)sra文件轉(zhuǎn)換為fastq文件，再利用Trimmomatic去除測序數(shù)據(jù)中的接頭序列和低質(zhì)量序列，使用FastQC對測序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，最后，利用參轉(zhuǎn)錄組定量工具Kallisto計算FPKM（Fragments per kilobase of transcript per million fragments mapped）值，將其作為基因的表達(dá)量。利用R3.0.2繪制木薯AGPase基因家族成員表達(dá)熱圖。利用獨立樣本雙尾 t 測驗的統(tǒng)計方法，檢驗?zāi)臼砝浜γ{迫和干旱脅迫處理后AGPase基因FPKM的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2. 1 木薯AGPase基因家族的鑒定及蛋白特性分析結(jié)果

在木薯基因組檢索獲得的木薯NTP_transferase同源序列經(jīng)比對驗證、去除重復(fù)冗余后，共獲得9個AGPase基因家族成員，分別為MeAGL1.1、MeAGL1.2、MeAGL1.3、MeAGL1.4、MeAGL2.1、MeAGL2.2、MeAGS1.1、MeAGS1.2和MeAGS2，其中6個為AGPase大亞基（LS）基因，3個為AGPase小亞基（SS）基因，具體信息見表1。6個LS基因長度差異明顯，為2572～6359 bp，3個SS基因長度差異不明顯，為3845～4928 bp。LS的氨基酸數(shù)目差異明顯，為277～528個，蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量30.6～59.1 kD;SS的氨基酸數(shù)目差異不明顯，為496～526個，蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量55.1～57.8 kD。LS等電點為5.12～9.01，SS等電點為6.07～7.97。從表2可知，LS蛋白變異較大，氨基酸序列同源性為12%～90%，SS蛋白變異較小，氨基酸序列同源性為44%～93%，MeAGL1.1與MeAGL1.2、 MeAGS1.1與MeAGS1.2的氨基酸序列同源性較高，均大于90%，MeAGL2.1與其余8個AGPase基因家族成員的同源性均較低。

2. 2 木薯AGPase基因家族的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

由圖1可知，9個木薯AGPase基因家族成員均含多個外顯子，其中LS基因外顯子變異幅度較大，其數(shù)目8～15個;SS基因外顯子數(shù)目相同，均為9個，且各外顯子長度相近。僅MeAGL1.2基因由內(nèi)含子（Intron）和外顯子（CDS）組成，其他基因均由外顯子、非編碼區(qū)（UTR）和內(nèi)含子組成。

2. 3 木薯AGPase保守結(jié)構(gòu)域預(yù)測及染色體分布分析結(jié)果

利用MEME 4.11.1分析木薯AGPase基因家族成員的motif，結(jié)果如圖2所示。該基因家族成員含6個motif，其中，LS基因中MeAGL2.1含3個motif，MeAGL2.1含4個motif，其他4個LS基因均含6個motif;SS基因中MeAGS1.1和MeAGS1.2均含有6個motif，MeAGS2缺少motif 2。

染色體分布分析結(jié)果如圖3所示。9個AGPase基因家族成員分布于8條染色體和1個scalefold中，未在染色體上發(fā)現(xiàn)串聯(lián)成簇分布現(xiàn)象。

2. 4 系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹構(gòu)建結(jié)果

基于AGPase蛋白氨基酸序列同源性構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，如圖4所示。AGPase蛋白可分為兩大類：LS類和SS類。其中，LS類又可分為4個亞類，第一亞類為雙子葉AGPase蛋白，包括MeAGL2.1、MeAGL2.2、MeAGL1.3、馬鈴薯（Solanum tuberosum）StAGL P5-5242、擬南芥（Arabidopsis thaliana）AtAGL P55230、AtAGL Q9SIK1和AtAGL P55230;第二亞類為單子葉AGPase蛋白，包括玉米（Zea mays）ZmAGL B6TCZ8、ZmAGL P55241、水稻（Oryza sativa）OsAGL Q688T8、OsAGL Q7G066和高粱[Sorghum bico-lor（L.） Moench]SbAGL O48877;第三亞類包括3個LS基因，即MeAGL1.4、ZmAGL A7LB43和OsAGL Q0D713;第四亞類包括MeAGL1.1、MeAGL1.2、ZmAGL A5GZ73、OsAGL Q6AVT2、StAGL P55243和AtAGL P55229。AGPase小亞基可分為3個亞類，第一亞類包括MeAGS2和AtAGS F4I8U2;第二亞類包括MeAGS1.1、MeAGS1.2、AtAGS P55228和StAGS P23509;第三亞類包括ZmAGS Q941P2、ZmAGS Q947C0、ZmAGS Q947B9、OsAGS Q96T99和OsAGS P15280。

2. 5 木薯AGPase基因家族的啟動子分析結(jié)果

木薯AGPase基因家族啟動子順式作用元件分析結(jié)果（圖5）表明，所有啟動子區(qū)域均含多個干旱響應(yīng)元件（MBS）和光響應(yīng)元件（Light responsive element），且至少含有兩種激素響應(yīng)元件，如茉莉酸響應(yīng)元件（MeJA responsive element）、脫落酸響應(yīng)元件（Abscisic acid responsive element）、生長素響應(yīng)元件（Auxin responsive element）、水楊酸響應(yīng)元件（Salicylic acid responsive element）和赤霉素響應(yīng)元件（GARE）等。此外，木薯AGPase基因家族啟動子區(qū)域還包含多種其他非生物脅迫響應(yīng)元件，如滲透壓脅迫應(yīng)答元件（STRE）、低溫應(yīng)答元件（LTR）和傷害應(yīng)答元件（WUN-motif）。

2. 6 木薯AGPase基因家族的組織表達(dá)譜分析結(jié)果

對11個木薯組織AGPase基因家族成員的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用Heatmap構(gòu)建表達(dá)熱圖（圖6），結(jié)果顯示，9個AGPase基因家族成員在不同木薯組織間的表達(dá)模式各不相同。其中，MeAGL1.1和MeAGL1.2基因在葉中的表達(dá)量最高，其次是中脈，在其他組織中的表達(dá)量較低或不表達(dá);MeAGL1.3基因僅在儲藏根中有較高的表達(dá)量，暗示該基因為根特異性表達(dá)基因。MeAGL1.4、MeAGL2.1和MeAGL2.2基因的表達(dá)模式非常相近，除MeAGL1.4基因在體細(xì)胞起源的胚性組織中表達(dá)量稍高外，在其他組織中的表達(dá)量均不高，尤其在儲藏根、須根、莖和葉柄中表達(dá)量非常低。MeAGS1.1、MeAGS1.2和MeAGS2基因的表達(dá)模式也非常相近，三者均在須根、莖尖分生組織、側(cè)芽、易碎胚性愈傷組織和體細(xì)胞起源的胚性組織中的表達(dá)量極低，在葉柄和中脈中的表達(dá)量稍高，但在其他組織中這3個基因的表達(dá)量存在明顯差異，如MeAGS1.1基因在儲藏根和葉中的表達(dá)量高于MeAGS1.2和MeAGS2基因，MeAGS1.2基因在根尖分生組織中的表達(dá)量較高，MeAGS2則在莖中的表達(dá)量較高。

2. 7 木薯AGPase基因在冷害和干旱脅迫下表達(dá)分析結(jié)果

分別對冷害脅迫和干旱脅迫后木薯AGPase基因轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7和表3所示。根據(jù)表達(dá)模式的差異，9個AGPase基因可分為3組，第一組包括MeAGL1.2、MeAGS1.1、MeAGS1.2、MeAGL1.4和MeAGS2基因，經(jīng)冷害和干旱脅迫后這5個基因的表達(dá)量均較對照（不作任何處理）下調(diào)。第二組僅包括MeAGL1.3基因，該基因的表達(dá)模式與其他基因不同，冷害脅迫后該基因的表達(dá)量與對照無顯著差異（P>0.05，下同），而干旱脅迫后該基因表達(dá)量較對照極顯著上調(diào)（P<0.01，下同），表明該基因可能參與干旱脅迫響應(yīng)。第三組包括MeAGL1.1、MeAGL2.1和MeAGL2.2基因，三者表達(dá)模式相同，干旱脅迫后基因表達(dá)量與對照無顯著差異，但冷害脅迫后3個基因表達(dá)量均較對照極顯著或顯著（P<0.05，下同）下調(diào)。整體來看，與對照相比，冷害脅迫后，除MeAGL1.3基因外，其余8個基因表達(dá)量均極顯著或顯著下調(diào);干旱脅迫后，MeAGL1.4、MeAGS1.1、MeAGS1.2和MeAGS2基因表達(dá)量極顯著或顯著下調(diào)，MeAGL1.3基因的表達(dá)量顯著上調(diào)，其余基因與對照無顯著差異（表3）。

3 討論

前人研究表明，擬南芥基因組含4個AGPase LS基因和2個AGPase SS基因，玉米基因組含5個AGPase LS基因和2個AGPase SS基因，水稻基因組含4個AGPase LS基因和2個AGPase SS基因，香蕉基因組含6個AGPase LS基因和2個AGPase SS基因（Jourda et al.，2016）。本研究利用NTP_transferase保守結(jié)構(gòu)域序列在木薯基因組中進(jìn)行BLASTp搜索，共發(fā)現(xiàn)9個AGPase基因家族成員，其中6個為LS基因、3個為SS基因;LS蛋白變異較大，氨基酸序列同源性為12%～90%，而SS變異較小，氨基酸序列同源性為44%～93%，與Saripalli和Gupta（2015）的研究結(jié)果相似。Saripalli和Gupta（2015）對擬南芥、水稻和番茄基因組的LS和SS蛋白氨基酸序列同源性進(jìn)行比對分析，結(jié)果表明，SS在同一物種內(nèi)的氨基酸序列同源性高于70%，而LS的氨基酸序列同源性僅為50%左右。可見，AGPase SS基因比LS基因具有更高的保守性，可能與SS是酶活性的催化中心相關(guān)，或進(jìn)化過程中對SS進(jìn)行更高的純化選擇（Georgelis et al.，2007）。

本研究木薯AGPase基因的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，LS基因比SS基因具有更多的外顯子。這與前人的研究結(jié)果（Batra et al.，2017）一致，Batra等（2017）分析了玉米、水稻和馬鈴薯等11種植物的AGPase基因的結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在單子葉植物中LS基因具有14～15個外顯子，在雙子葉植物中LS基因具有12～14個外顯子，單子葉和雙子葉植物中的SS基因均只有9～10個外顯子。此外，本研究木薯LS與SS蛋白均含有NTP_transferase保守結(jié)構(gòu)域序列，將其與水稻、玉米、擬南芥、高粱和馬鈴薯的AGPase蛋白序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹，這些AGPase基因可明顯分為LS和SS兩大類。其他物種如香蕉和小麥中，LS和SS基因也能明顯區(qū)分，可能是LS基因和SS基因的進(jìn)化速率差異較明顯（Jourda et al.，2016）。

本研究發(fā)現(xiàn)，木薯AGPase基因家族啟動子順式作用元件中含多個光響應(yīng)元件，可能與淀粉白天合成、黑夜降解的節(jié)律控制有關(guān);同時，含至少2種植物生長激素響應(yīng)元件，暗示AGPase基因與植物生長發(fā)育密切相關(guān);另外，順式作用元件中包含多種非生物脅迫響應(yīng)元件，表明AGPase基因可能參與低溫、干旱等抗脅迫相關(guān)調(diào)控。本研究轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析結(jié)果也顯示，木薯AGPase基因在冷害脅迫和干旱脅迫下mRNA水平均顯著升高或降低，表明這些基因參與冷害和干旱脅迫響應(yīng)。已有研究表明，在非生物脅迫如高溫和干旱條件下，小麥AGPase的LS基因和SS基因均下調(diào)表達(dá)，如小麥經(jīng)37 ℃高溫處理后，AGPase基因的表達(dá)水平急劇下降（Hurkman et al.，2003）。前人研究表明，植物AGPase基因在不同組織中均可表達(dá)，且表達(dá)量存在明顯差異，如小麥AGPase的LS基因和SS基因在開花期和籽粒灌漿期胚乳中表達(dá)量較高，在營養(yǎng)組織（根和葉）中表達(dá)量較低（Burton et al.，2002）。本研究也發(fā)現(xiàn)，9個木薯AGPase基因家族成員在不同組織間的表達(dá)模式各不相同，其中，MeAGL1.1和MeAGL1.2基因在葉中表達(dá)量最高，MeAGS1.1基因在莖中表達(dá)量最高，MeAGL1.3基因則在儲藏根中的表達(dá)量最高。已有研究表明，當(dāng)扁豆從長日照進(jìn)入短日照時，葉片中SS1基因上調(diào)表達(dá)，而LS1基因和SS2基因顯著下調(diào)表達(dá)，推測葉和莖中不同AGPase基因的表達(dá)差異與植物體內(nèi)碳源的流向有關(guān)（Seferoglu et al.，2013）。儲藏根是木薯淀粉合成的重要場所，含有65%～91%的淀粉，其淀粉含量與木薯AGPase基因的表達(dá)密切相關(guān)，當(dāng)AGPase基因的表達(dá)被反義抑制98.5%時，淀粉含量下降95%，但過量表達(dá)AGPase基因時，轉(zhuǎn)基因木薯的淀粉含量可提高166%（Tappiban et al.，2019）。MeAGL1.3基因僅在儲藏根中高效表達(dá)，推測該基因在儲藏根的淀粉合成中發(fā)揮重要調(diào)控作用。在后續(xù)研究中，將以不同淀粉含量的木薯為試驗材料，分析AGPase基因家族對淀粉的表型效應(yīng)影響，挖掘引起淀粉變異的關(guān)鍵序列位點，并將其轉(zhuǎn)化為功能標(biāo)記，為分子標(biāo)記輔助選擇培育優(yōu)良木薯品種提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

從木薯基因組中篩選出的9個AGPase基因家族成員具有保守的基因結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)域，其表達(dá)具有組織特異性，大多數(shù)成員表達(dá)水平受冷害和干旱協(xié)迫調(diào)控。

參考文獻(xiàn)：

周彩琴，王麗娟. 2011. 腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，32（2）：56-59. [Zhou C Q，Wang L J. 2011. Advances of research on ADP-glucose pyrophosphorylase[J]. Journal of Agricultural Sciences，32（2）：56-59.]

Bailey T L，Williams N，Misleh C，Li W W. 2006. MEME：Discovering and analyzing DNA and protein sequence motifs[J]. Nucleic Acids Research，34（S2）：W369-W373.

Batra R，Saripalli G，Mohan A，Gupta S，Gill K S，Varadwaj P K，Balyan H S，Gupta P K. 2017. Comparative analysis of AGPase genes and encoded proteins in eight monocots and three dicots with emphasis on wheat[J]. Frontiers in Plant Science，8：19.

Bredeson J V，Lyons J B，Prochnik S E，Wu G A，Ha C M，Edsinger-Gonzales E，Grimwood J，Schmutz J，Rabbi I Y，Egesi C，Nauluvula P，Lebot V，Ndunguru J，Mkamilo G，Bart R S， Setter T L，Gleadow R M，Kulakow P，F(xiàn)erguson M E，Rounsley S，Rokhsar D S. 2016. Sequencing wild and cultivated cassava and related species reveals extensive interspecific hybridization and genetic diversity[J]. Nature Biotechnology，34（5）：562-570.

Burns A，Gleadow R，Cliff J，Zacarias A，Cavagnaro T. 2010. Cassava：The drought，war and famine crop in a changing world[J]. Sustainability，2（11）：3572-3607.

Burton R A，Johnson P E，Beckles D M，F(xiàn)incher G B，Jenner H L，Naldrett M J，Denyer K. 2002. Characterization of the genes encoding the cytosolic and plastidial forms of ADP glucose pyrophosphorylase in wheat endosperm[J]. Plant Physiology，130（3）：1464-1475.

Chen C J，Xia R，Chen H，He Y H. 2018. TBtools，a toolkit for biologists integrating various HTS-data handling tools with a user-friendly interface[J]. BioRxiv，doi：https：//doi.org/10.1101/289660.

Georgelis N，Braun Edward L，Shaw J R，Hannah L C. 2007. The two AGPase subunits evolve at different rates in angiosperms，yet they are equally sensitive to activity-alte-ring amino acid changes when expressed in bacteria[J]. Plant Cell，19（5）：1458-1472.

Hurkman W J，McCueK F，Altenbach S B，Korn A，Tanaka C K，Kotharia K M，Johnsona E L，Bechtelb D B，Wilson J D，Andersona O D，DuPonta F M. 2003. Effect of temperature on expression of genes encoding enzymes for starch biosynthesis in developing wheat endosperm[J]. Plant Science，164（5）：873-881.

Jourda C，Cardi C，Gibert，Toro A G，Ricci J，Mbéguié-A-Mbéguié D，Yahiaoui N. 2016. Lineage-specific evolutionary histories and regulation of major starch metabolism genes during banana ripening[J]. Frontiers Plant Science，7：1778.

Kumar S，Stecher G，Tamura K. 2016. MEGA7：Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets[J]. Molecular Biology and Evolution，33（7）：1870-1874.

Li S X，Yu X，Cheng Z H，Yu X L，Ruan M B，Li W B，Peng M. 2017. Global gene expression analysis reveals crosstalk between response mechanisms to cold and drought stresses in cassava seedlings[J]. Frontiers in Plant Science，8：1259.

Nakata P A，Anderson J M，Okita T W. 1994. Structure and expression of the potato ADP-glucose pyrophosphorylase small subunit[J]. The Journal of Biological Chemistry，269（49）：30798-30807.

Rose M K，Huang X Q，Br?lé-Babel A J. 2016. Molecular characterization and sequence diversity of genes enco-ding the large subunit of the ADP-glucose pyrophosphory-lase in wheat（Triticum aestivum L.）[J]. Journal of App-lied Genetics，57（1）：15-25.

Saripalli G，Gupta P K. 2015. AGPase：Its role in crop productivity with emphasis on heat tolerance in cereals[J]. Theo-retical and Applied Genetics，128（10）：1893-1916.

Seferoglu A B，Baris I，Morgil H，Tulum I，Ozdas S，Cevahir G，Kavakli I H. 2013. Transcriptional regulation of the ADP-glucose pyrophosphorylase isoforms in the leaf and the stem under long and short photoperiod in lentil[J]. Plant Science，205-206：29-37.

Shaw J R，Hannah L C. 1992. Genomic nucleotide sequence of a wild-type shrunken-2 allele of Zea mays[J]. Plant Physiology，98（3）：1214-1216.

Tappiban P，Smith D R，Triwitayakorn K，Bao J. 2019. Recent understanding of starch biosynthesis in cassava for quality improvement：A review[J]. Trends in Food Science and Technology，83：167-180.

Thorneycroft D，Hosein F，Thangavelu M，Clark J，Vizir L，Burrell M. 2003. Characterization of a gene from chromosome 1B encoding the large subunit of ADP glucose pyrophosphorylase from wheat：Evolutionary divergence and differential expression of Agp2 genes between leaves and developing endosperm[J]. Plant Biotechnology Journal，1（4）：259-270.

Tuncel A，Okita T W. 2013. Improving starch yield in cereals by overexpression of ADP glucose pyrophosphorylase：Expectations and unanticipated outcomes[J]. Plant Scien-ce，211：52-60.

Wilson M C，Mutka A M，Hummel A W，Berry J，Chauhan R.D，Vijayaraghavan A，Taylor N J，Voytas D F，Chitwood D H，Bart R S. 2017. Gene expression atlas for the food security crop cassava[J]. New Phytologist，213（4）：1632-1641.

（責(zé)任編輯 陳 燕）