2026年1月26日，仲恺农业工程学院农业与生物学院齐永文/樊丽娜/赖瑞强团队在Plant Stress在线发表了题为“Identification of the Sugarcane Invertase Gene Family with Deciphering the Key Role of ShN/AINV3.1 in Drought Stress Response”的研究论文。
该研究利用甘蔗品种“新台糖22号”（XTT22）的T2T基因组，系统鉴定了225个蔗糖转化酶基因，并揭示了关键基因ShN/AINV3.1（Sh_So05A0220418）通过整合糖代谢与氧化防御以强化耐旱性的协同机制，为甘蔗分子育种提供了重要的遗传资源和理论依据。
甘蔗作为全球最重要的糖料作物，贡献了约80%的蔗糖产量。然而，其高度复杂的多倍体基因组和日益严重的干旱胁迫严重制约了甘蔗育种效率。蔗糖转化酶是糖代谢中的关键酶，在植物生长、发育和胁迫响应中发挥重要作用。
然而，由于甘蔗基因组的复杂性，其蔗糖转化酶基因家族的系统鉴定和功能研究一直面临挑战。因此，本研究基于高质量XTT22的T2T基因组进行蔗糖转化酶基因家族分析，并鉴定关键蔗糖转化酶基因，以揭示其耐旱机制。
研究团队基于甘蔗栽培品种XTT22的T2T基因组，通过BLAST和HMM分析，共鉴定出225个蔗糖转化酶基因，显著多于玉米、高粱和水稻等近缘作物。进化分析将其分为两个主要亚家族：Glyco_hydro_100（101个成员）和Glyco_hydro_32（124个成员）。
图2 蔗糖转化酶基因的染色体定位、
基因重复事件及共线性分析
图3 甘蔗XTT22不同组织中
蔗糖转化酶基因的表达谱
为了解其进化机制与表达特征，共线性分析显示，该基因家族的扩张主要受片段重复事件驱动，并在Chr4和Chr6同源群上形成明显的复制“热点”。
组织表达谱分析表明，这些基因具有明显的组织特异性，大多数基因在特定组织中高表达，体现了功能分化与冗余并存的特点。
为了阐明蔗糖转化酶基因潜在的转录调控机制。顺式作用元件分析发现，这些基因富含与光响应、植物激素（生长素、赤霉素等）以及多种非生物胁迫相关的顺式作用元件，表明其在发育调控和胁迫适应中具有广泛作用。
图5 干旱胁迫下甘蔗XTT22品种
蔗糖转化酶基因的表达谱
图6 ShN/AINV3.1在干旱胁迫下的表达模式
及其编码蛋白的亚细胞定位
图7 转基因甘蔗的表型特征分析：
葡萄糖含量、过氧化氢酶活性及株高
进一步研究发现蔗糖转化酶基因ShN/AINV3.1（拥有干旱顺式响应元件）是少数受干旱持续诱导显著表达的基因。此外，其编码的蛋白定位于叶绿体，提示其可能参与光合作用中的糖代谢过程。尤为重要的是，研究发现过表达株系的葡萄糖含量、过氧化氢酶活性和株高显著高于野生型XTT22（CK）。
这些结果表明，ShN/AINV3.1不仅增强了植物的能量供应，改善了包括植株高度在内的生长性状，还可能促进蔗糖转化为葡萄糖，而升高的葡萄糖水平可能作为信号分子，激活氧化应激修复系统，并可能强化干旱胁迫表型。
值得注意的是，在自然干旱和聚乙二醇（PEG）模拟干旱条件下，过表达ShN/AINV3.1的甘蔗植株均表现出比野生型XTT22（CK）更好的生长状态，且转基因植物的存活率显著高于CK。
该结果强有力地表明ShN/AINV3.1不仅能为甘蔗提供能量供应，强化甘蔗生长发育表型，还能提高甘蔗的耐旱性。
图9 ShN/AINV3.1强化甘蔗抗旱性的示意图
总之，干旱胁迫通常会限制植物生长并损害甘蔗发育。然而，甘蔗已进化出适应机制以应对这些不利条件。例如，与干旱相关的信号可能被ShN/AINV3.1基因中的干旱响应顺式作用元件识别，从而增强该基因的表达。这种上调可能通过两种关键方式促进甘蔗的干旱适应：
通过促进蔗糖转化为葡萄糖，增加能量供应，从而支持植物生长和发育；
产生的葡萄糖可能作为信号分子激活氧化应激修复系统，例如提高细胞内过氧化氢酶活性
该研究首次在甘蔗中系统鉴定了蔗糖转化酶基因家族，揭示了其进化特征和调控潜力，并解析了ShN/AINV3.1通过整合糖代谢和氧化应激防御来增强耐旱性的协同增效机制。这些发现为甘蔗分子育种提供了重要的基因资源和理论指导，对培育高产、抗逆甘蔗品种具有重要意义。
仲恺农业工程学院农业与生物学院青年教师赖瑞强以及硕士研究生陈铭、陈家锐为论文共同第一作者，齐永文教授和樊丽娜副教授为论文共同通讯作者。
该研究得到了广东省重点学科科研能力提升项目、广东省"百千万工程"农村科技特派员项目以及广东省省级人才发展战略专项基金等资助。
https://doi.org/10.1016/j.stress.2026.101261
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