徐志軍，劉 洋，徐 磊，安東升

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 湛江實(shí)驗(yàn)站,廣東 湛江 524013; 2.廣東省旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研發(fā)中心, 廣東 湛江 524013)

糖是植物光合作用的產(chǎn)物，是植物碳和能量代謝的重要載體，對植物生長和發(fā)育起著非常重要的作用。同時(shí)，糖也可作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的信號分子，參與和調(diào)控植物的各種代謝途徑，如參與調(diào)控植物組織滲透壓和植物逆境脅迫[1]。在植物中，糖主要以蔗糖、多元醇或低聚糖的形式從源組織(如葉子)輸送到庫組織(如根、種子和其他生殖組織)。蔗糖作為植物中的主要碳水化合物，主要在葉肉細(xì)胞中合成，進(jìn)入韌皮部后，通過長距離運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)綆旖M織鄰近的韌皮部，通過胞間連絲形成的共質(zhì)體途徑或通過蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶和單糖轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的非共質(zhì)體的途徑進(jìn)入庫組織中[2]。植物組織獲取由蔗糖在質(zhì)外體中水解成的己糖(如葡萄糖、果糖)需要由一組轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與調(diào)控，如擬南芥中的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、水稻中的單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Monosaccharide transporters，MSTs)、葡萄中的己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Hexose transporters，HTs)，這些蛋白家族通過參與糖轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)而調(diào)控植物碳分配、花器官發(fā)育、作物產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性[3-5]。

STP蛋白屬于主要協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族(Major facilitator superfamily，MFS)，是一類通常由12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域組成的H+/糖或Na+/糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[6-8]。自1989年從小球藻中克隆出第一個(gè)STP基因以來[9]，研究者先后在擬南芥、水稻、葡萄、西紅柿、梨、木薯、甘藍(lán)中發(fā)現(xiàn)了一系列STP基因[10-17]。STP蛋白的主要特征是定位于細(xì)胞膜上進(jìn)行等離子轉(zhuǎn)運(yùn)，且具有廣譜的單糖，如葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖和甘露醇運(yùn)載能力[10,18]。已有研究表明，STP基因家族在植物不同生長階段和不同的脅迫下表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式。如在擬南芥中，AtSTP1主要在萌發(fā)的種子、幼苗和保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)[19-20]；AtSTP2、AtSTP6、AtSTP9、AtSTP11特異性地在花粉中表達(dá)，而AtSTP4在根中高表達(dá)[10, 21]；AtSTP13定位于葉脈和葉肉細(xì)胞，可能參與蔗糖從細(xì)胞質(zhì)到葉脈的運(yùn)輸[22]。在水稻中，STP基因OsMST3在根木質(zhì)部特異性表達(dá)，參與積累植物細(xì)胞壁增厚階段細(xì)胞壁合成所需的單糖[13]。除此之外，STP基因家族也會對環(huán)境壓力，如機(jī)械損傷、線蟲和細(xì)菌侵染，做出響應(yīng)[21-24]。

高粱(Sorghumbicolor)是全世界種植的第五大禾谷類作物，是重要的經(jīng)濟(jì)作物、能源作物和飼料作物，特別在干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位。高粱是C4植物，具有高光效、易栽培、適應(yīng)性強(qiáng)、營養(yǎng)價(jià)值高、適口性好及抗旱、耐鹽堿等多重抗逆的特性。自高粱基因組測序以來[25]，大量基于基因組信息的基因研究得以開展。鑒于STP基因家族在植物的生長發(fā)育和逆境脅迫中的重要作用，本研究利用生物信息學(xué)手段在全基因組水平上分析和鑒定高粱STP 基因家族，解析STP家族基因的染色體定位、分類與表達(dá)模式，為進(jìn)一步研究該家族成員的功能及高粱高產(chǎn)、廣適分子改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

高粱全基因組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)序列、cDNA數(shù)據(jù)均來自于Phytozome數(shù)據(jù)庫(https://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html)，水稻、擬南芥STP蛋白序列分別來自RGAP 數(shù)據(jù)庫(http://rice.plantbiology.msu.edu/index.shtml)、TAIR數(shù)據(jù)庫(http://www.Arabidopsis.org)。

1.2 高粱STP基因家族的鑒定

從Pfam數(shù)據(jù)庫(http://pfam.xfam.org/)中下載STP 基因家族的隱馬爾科夫模型文件Sugar_tr結(jié)構(gòu)域(PF00083)。利用文件中高粱STP 基因家族的蛋白保守序列，使用HMMER 軟件(http://www.hmmer.org/)和NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫tBlastN功能獲取高粱STP 基因家族的蛋白保守序列。對獲取的序列使用Pfam和Smart(http://smart.embl-heidelberg.de/)程序檢測STP核心序列，除去無STP典型結(jié)構(gòu)域、結(jié)構(gòu)域不完整和冗余序列，之后與14個(gè)擬南芥STP基因蛋白序列和28個(gè)水稻STP基因蛋白序列進(jìn)行比對，獲得高粱STP基因家族序列。

1.3 高粱STP基因家族蛋白理化性質(zhì)分析、亞細(xì)胞定位和跨膜結(jié)構(gòu)分析

利用Expasy 數(shù)據(jù)庫(https://web.expasy.org/protparam/)蛋白質(zhì)的氨基酸數(shù)目、理論等電點(diǎn)、分子質(zhì)量、疏水性、脂肪族氨基酸指數(shù)等理化性質(zhì)信息。利用 Cell-PLoc 2.0(http://www.csbio.sjtu.edu.cn/bioinf/Cell-PLoc-2/)對家族成員進(jìn)行亞細(xì)胞定位，利用TMHMM 2.0(http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/)進(jìn)行跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)域分析。

1.4 高粱STP基因家族基因定位

利用高粱STP基因在染色體上的位置信息，并從SYMAP數(shù)據(jù)庫(http://www.agcol.arizona.edu/software/symap/)下載高粱基因組重復(fù)片段位置信息，利用RCircos工具對STP基因在染色體上的位置及高粱染色體重復(fù)片段進(jìn)行可視化[26]。

1.5 高粱STP基因家族多序列比對、基因分組和進(jìn)化樹分析

利用高粱STP基因家族的保守域序列，使用ClustalW軟件采用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行多序列比對。所有鑒定出來的高粱STP基因通過保守域序列比對和蛋白質(zhì)序列比對結(jié)果進(jìn)行分組。利用擬南芥、水稻和高粱STP蛋白，使用ClustalW進(jìn)行多序列比對，然后利用MEGA 6.0程序，采用鄰接法(Neighbor-joining method, NJ)構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹，參數(shù)設(shè)置如下：Bootstrap method, 1 500 bootstrap replications, Poisson model, pairwise deletion。

1.6 高粱STP基因家族基因結(jié)構(gòu)和保守結(jié)構(gòu)域分析

利用MEME 4.12.0(http://meme-suite.org/tools/meme)對STP基因家族的保守基序進(jìn)行分析，并用SMART的Squence analysis在線軟件比對數(shù)據(jù)庫，確認(rèn)基序的種類。利用 TBtools軟件Gene Viewer工具繪制高粱STP基因保守域和基因結(jié)構(gòu)示意圖[27]。

1.7 高粱STP基因重復(fù)、共線性分析

使用MCScanX(Multiple collinearity scan toolkit)軟件，采用默認(rèn)參數(shù)來分析高粱STP基因的復(fù)制事件，并分析高粱與擬南芥和高粱與水稻之間的基因同源性。根據(jù)高粱與擬南芥和高粱與水稻STP基因的直系同源關(guān)系，利用TBtools軟件中的Multiple synteney plotter工具繪制高粱、擬南芥和水稻STP基因的共線性比較圖譜[27]。使用DnaSP 5.1軟件對發(fā)生復(fù)制事件的基因進(jìn)行非同義替換(Non-synonymous substitution, ka)和同義替換(Synonymous substitution, ks)分析[28]。

1.8 高粱STP基因家族的表達(dá)分析

高粱RNA-Seq數(shù)據(jù)來源于Davidson等[29]2012年公開發(fā)表的數(shù)據(jù)和GEO數(shù)據(jù)庫中的RNA-Seq數(shù)據(jù)(GEO登錄號：GSE30249)[30]。Davidson等[29]發(fā)表的高粱RNA-Seq數(shù)據(jù)包括高粱葉片(Leaves)、原生花序(Primodial inflorescences)、花序(Inflorescences)、花藥(Anther)、雌蕊(Pistil)、種子(Seed)、胚(Embryo)、胚乳(Endosperm)共8個(gè)組織的RNA-Seq數(shù)據(jù)；GSE30249數(shù)據(jù)集包括不同濃度ABA和PEG處理?xiàng)l件下的根(Root)和莖(Shoot)的RNA-Seq數(shù)據(jù)。下載以上數(shù)據(jù)集中RNA-Seq 數(shù)據(jù)，利用TBtools軟件中Table ID Extractor and Filter工具提取STP基因的表達(dá)量(Fragments per kilobase of exon per million fragments mapped, FPKM)值[24]，對STP 基因表達(dá)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后利用TBtools軟件中The Amazing Heatmap 工具繪制STP基因表達(dá)熱圖[27]。

表1 高粱STP 基因家族理化性質(zhì)分析Tab.1 Analysis of physical and chemical characteristics of STP gene family in Sorghum bicolor

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱STP基因的鑒定和理化性質(zhì)分析

通過HMMER軟件對高粱全部蛋白序列進(jìn)行搜索并在NCBI數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行tBlastN比對，鑒定STP基因蛋白核心結(jié)構(gòu)域，并剔除冗余序列和無完整讀碼框序列，最終獲得19個(gè)高粱STP基因(表1)。根據(jù)STP基因在基因組上的位置，命名為SbSTP1～SbSTP19。

高粱STP基因理化性質(zhì)分析表明：SbSTP基因編碼蛋白氨基酸序列的長度較為接近，其中最長的是SbSTP13，為542個(gè)氨基酸(Amino acid, aa)，最短的是SbSTP18，為480個(gè)aa，平均長度為520.1個(gè)aa。STP蛋白分子質(zhì)量為51.53(SbSTP18)～58.53 ku(SbSTP4)。蛋白質(zhì)理論等電點(diǎn)均大于7，表明高粱STP家族含有大量堿性氨基酸，其中SbSTP19等電點(diǎn)最高，為9.81。STP家族的脂肪族氨基酸指數(shù)分布在98.08(SbSTP17)～109.57(SbSTP9)，平均為103.91，表明該家族蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性較為一致。蛋白質(zhì)疏水性均大于0，表明該家族蛋白均為疏水性蛋白質(zhì)。STP保守域長度集中在461～467個(gè)aa，平均為460.68個(gè)aa，其中SbSTP18保守域最短(421個(gè)aa)，SbSTP12保守域最長(471個(gè)aa)。SbSTP蛋白含有豐富的跨膜結(jié)構(gòu)域，為9(SbSTP6)～12個(gè)，其中有11個(gè)蛋白含有11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域。

2.2 高粱STP基因家族基因定位

高粱STP基因不均勻分布在除第8號染色體外的其余9條染色體上，且多分布于染色體兩端(圖1)。其中第3，5，7，9，10號染色體上均含有1個(gè)STP基因；第4號染色體上含有2個(gè)STP基因；其余3條染色體均含有4個(gè)STP基因，其中第6號染色體上的4個(gè)STP基因在染色體上成簇分布。比較高粱STP基因在染色體上的位置和高粱基因組重復(fù)區(qū)域的位置發(fā)現(xiàn)，SbSTP2、SbSTP11、SbSTP16和SbSTP18位于基因組上的4個(gè)重復(fù)區(qū)域，但在基因組重復(fù)區(qū)均只有1個(gè)拷貝。

圖1 高粱STP 基因的染色體定位Fig.1 Chromosome location of STP genes in Sorghum bicolor genome

2.3 高粱STP基因家族多序列比對、基因分組和進(jìn)化樹分析

利用高粱STP蛋白的STP保守域序列和全長序列分別進(jìn)行序列比對和進(jìn)化分析，結(jié)果表明，采用2種方法高粱STP基因的進(jìn)化關(guān)系一致，這表明高粱STP基因家族高度保守。根據(jù)高粱STP基因家族的進(jìn)化樹，可將其分為5組，其中Ⅰ組成員最多，為7個(gè)，所有成員均含有11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，Ⅱ組成員最少，僅有1個(gè)，SbSTP7(圖2)。

圖2 高粱STP基因家族系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.2 Phylogenetic analysis of STP gene family in Sorghum bicolor

利用高粱、擬南芥和水稻的STP蛋白序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析，結(jié)果表明，STP基因家族可以分為6組，其中高粱STP成員分布于Ⅰ～Ⅴ組，與高粱STP家族進(jìn)化樹分組一致；Ⅰ～Ⅴ組中均含有SbSTP、AtSTP和OsSTP，其中Ⅰ組由7個(gè)SbSTP(SbSTP1、SbSTP5、SbSTP8、SbSTP9、SbSTP10、SbSTP11、SbSTP17)、8個(gè)OsSTP和6個(gè)AtSTP， Ⅱ組中含有SbSTP(SbSTP7)、AtSTP和OsSTP各1個(gè)，Ⅲ組中含有2個(gè)SbSTP(SbSTP3、SbSTP6)、4個(gè)AtSTP和2個(gè)OsSTP，Ⅳ組中含有4個(gè)SbSTP(SbSTP13、SbSTP14、SbSTP15、SbSTP16)、1個(gè)AtSTP和9個(gè)OsSTP，Ⅴ組中含有5個(gè)SbSTP(SbSTP2、SbSTP4、SbSTP12、SbSTP18、SbSTP19)、1個(gè)AtSTP和7個(gè)OsSTP ；Ⅵ組中僅含有AtSTP和OsSTP各1個(gè)。這表明，STP基因的形成早于擬南芥、水稻和高粱的分化，在高粱形成過程中可能發(fā)生過STP基因的丟失事件，且在Ⅰ～Ⅴ組中，高粱STP與水稻STP的遺傳距離更近。

2.4 高粱STP家族基因結(jié)構(gòu)及蛋白基序分析

基因結(jié)構(gòu)分析表明，SbSTP11、SbSTP18不存在上下游調(diào)控區(qū)，SbSTP1不存在上游調(diào)控區(qū)，SbSTP6、SbSTP12、SbSTP16、SbSTP19不存在下游調(diào)控區(qū)，其余12個(gè)成員均含有上下游調(diào)控區(qū)(圖3)。在內(nèi)含子和外顯子數(shù)量上高粱STP基因間存在較大差異：內(nèi)含子方面，除SbSTP17不含有內(nèi)含子外，其余成員內(nèi)含子數(shù)量為1～4個(gè)，其中SbSTP6、SbSTP8、SbSTP11、SbSTP16、SbSTP19均含有1個(gè)內(nèi)含子，SbSTP18含有4個(gè)內(nèi)含子；外顯子方面，大部分成員含有2～4個(gè)外顯子，其中SbSTP17僅含有1個(gè)外顯子，SbSTP18外顯子數(shù)量最多為5個(gè)。

蛋白基序分析表明：共有12個(gè)蛋白基序被鑒定出來，長度為15～80個(gè)aa，其中基序1、2、3、6、7是STP蛋白核心結(jié)構(gòu)域的組成部分，在19個(gè)高粱STP蛋白中高度保守(圖3、表2)。其中，SbSTP18缺失了基序6，含有11個(gè)基序；其余成員均含有12個(gè)蛋白基序，且進(jìn)化樹上同組的家族成員大部分具有相同或類似的基序類型和排列順序。

圖3 高粱STP基因結(jié)構(gòu)及蛋白基序分布Fig.3 Intron-exon structure and protein motif compositions of STP gene family in Sorghum bicolor

基序Motif序列Sequence長度/個(gè)WidthPfam 結(jié)構(gòu)域Pfam domain1WSWGPLGWLVPSEIFPLEIRSAGQSITVAVNMLFTFVIAQAFLSMLCHLKFGJFFFFAAWVVVMTLFVALFLPETKGVPI80Sugar_tr2GAALNGAAVNVAMLIVGRILLGVGVGFANQAVPLYLSEMAPARLRGALNIGFQLMITIGILAANLINY68Sugar_tr3RYRPQLVMAVLIPFFQQLTGINVIMFYAPVLFRTIGFGSDASLMS45Sugar_tr4NNYCKFDSQLLTAFTSSLYLAGLVASLFA295GLIFGYDIGISGGVTSMDPFLEKFFPSVY296KIIGGWGWRLSLGLAAVPAAIJTLGALFLPDTPNSLIZRGR41Sugar_tr7AVITGLVNVFSTLVSIVTVDRVGRRKLFLQGGVQMJVSQVAVGAIIAAKFGDSGEAT57Sugar_tr8EZMGRVWKKHWFWKRFVADDA219RGTADVDAELDDJVAASEAARAVEHPWRN2910SAGGGKDYPGRVTLFVVLTCJ2111SSVTRRLGRKWSMLIGGVLFL2112RGYAAAVVVLICVYV15

2.5 高粱STP基因重復(fù)、共線性分析

在小于200 kb的染色體片段上包含2個(gè)或者多個(gè)同一家族基因的事件被定義為串聯(lián)重復(fù)事件(Tandem duplications event)[31]。分析發(fā)現(xiàn)，6號染色體上存在1個(gè)串聯(lián)重復(fù)事件區(qū)，基因SbSTP14和SbSTP15為1對串聯(lián)重復(fù)基因。除此之外，1號染色體上還存在1個(gè)片段重復(fù)事件(Segmental duplication event)，基因SbSTP2和SbSTP4為1對片段重復(fù)基因，可能由基因重組事件使2個(gè)基因重組到同一條染色體上。

為進(jìn)一步推斷高粱STP基因家族的系統(tǒng)發(fā)育機(jī)制，利用雙子葉植物擬南芥、單子葉植物水稻2種模式作物基因組信息，構(gòu)建了高粱與擬南芥、水稻的基因共線性比較圖譜(圖4)。共有2個(gè)SbSTP基因與擬南芥STP顯示出共線性，14個(gè)SbSTP基因與水稻STP顯示出共線性，與擬南芥和水稻形成的直系同源基因?qū)Ψ謩e為3，16對。一些SbSTP還與2個(gè)基因形成同源基因?qū)?，如SbSTP8與2個(gè)擬南芥基因AtSTP1和AtSTP12直系同源，SbSTP4、SbSTP13分別與2個(gè)水稻STP形成同源基因?qū)?，推測這些基因可能在基因家族進(jìn)化過程中發(fā)揮著重要作用。大部分SbSTP僅與水稻形成直系同源基因?qū)?，可能表明這些基因在單子葉和雙子葉植物分化后形成；而SbSTP2和SbSTP8與擬南芥和水稻STP都存在著直系同源基因，推測它們的形成可能早于單子葉和雙子葉的分化，在進(jìn)化中具有高度的保守性，可能在糖轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著某些特定的功能。此外，高粱和水稻之間鑒定出來的一些STP同源基因?qū)ξ挥诔^100個(gè)基因的高度保守的共線性區(qū)塊上；而在高粱和擬南芥STP基因位于的共線性區(qū)塊上，同源基因?qū)ι儆?0對，這可能與高粱和水稻、擬南芥的親緣關(guān)系有關(guān)。

ka/ks值是基因異義替換(ka)和同義替換(ks)的比值，可用于判斷選擇壓力在基因進(jìn)化中的作用[32]。高粱STP的串聯(lián)重復(fù)和片段重復(fù)基因?qū)按蠖鄶?shù)高粱與水稻、擬南芥的STP直系同源基因?qū)Φ膋a/ks值均小于1，這表明高粱STP基因家族在進(jìn)化過程中可能受到了強(qiáng)烈的純化選擇壓力。

圖4 高粱與擬南芥和水稻的共線性圖譜Fig.4 Synteny analysis of STP genes between Sorghum bicolor and Arabidopsis thaliana, Oryza sativa

2.6 高粱STP基因表達(dá)分析

來源于GEO數(shù)據(jù)庫的10個(gè)高粱組織RNA-Seq數(shù)據(jù)[29-30]被用來分析高粱STP基因的表達(dá)模式。在所有高粱STP基因中，至少有18個(gè)SbSTP基因可能表達(dá)，其中SbSTP18在所有檢測樣本中均未表達(dá)，推測該基因?yàn)榧倩蚧蛘呔邆涮厥獾谋磉_(dá)時(shí)序。分析結(jié)果表明，高粱STP基因在不同的組織中表現(xiàn)出不同的表達(dá)方式(圖5)。有4個(gè)基因(SbSTP2、SbSTP4、SbSTP7、SbSTP8)在所有樣本中都有表達(dá)(FPKM>0)，其中有3個(gè)(SbSTP2、SbSTP4、SbSTP7)為組成型表達(dá)(在所有樣本中FPKM>1)。SbSTP11特異性在花中表達(dá)；SbSTP7在葉片中高表達(dá)；4個(gè)基因(SbSTP6、SbSTP9、SbSTP10、SbSTP17)在花序中高表達(dá)；2個(gè)基因(SbSTP3、SbSTP5)在不同濃度ABA脅迫下的根中高表達(dá)，2個(gè)基因(SbSTP5、SbSTP13)在PEG處理下的根中高表達(dá)，SbSTP4在ABA和PEG處理的莖稈中高表達(dá)。

3 結(jié)論與討論

STP基因在模式植物，如擬南芥和水稻中，已經(jīng)被證明在糖轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著重要作用[10-11, 33]。然而，STP基因家族在其他作物，如高粱中的全基因組的表達(dá)模式還缺乏研究。利用高粱基因組數(shù)據(jù)，本研究鑒定了高粱STP基因家族，對基因理化性質(zhì)、染色體上的定位、結(jié)構(gòu)、基因的共線性和重復(fù)進(jìn)行了分析，并對SbSTP的表達(dá)模式進(jìn)行了初步研究。

圖5 高粱STP基因的表達(dá)模式Fig.5 The expression profile of SbSTP genes in Sorghum bicolor

利用HMMER軟件和Blast搜索，從高粱基因組中共鑒定了19個(gè)不均勻分布于9條染色體上的SbSTP。所有的高粱STP蛋白都含有1個(gè)屬于MFS超家族的Sugar_tr結(jié)構(gòu)域(PF00083)。植物中的MFS載體通常具有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD1-TMD12)，可以被細(xì)分為N端跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD1-TMD6)和C端跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD7-TMD12)[6, 34]。而在本研究中，僅有4個(gè)SbSTP具有12個(gè)TMDs，大部分SbSTP含有11個(gè)TMDs，缺失N端第4個(gè)或C端第9個(gè)TMD；其中SbSTP6最少，含有9個(gè)TMDs，在N端缺失了第4和第6個(gè)TMD，在C端缺失了第9個(gè)TMD。這些結(jié)果表明，在進(jìn)化過程中，大部分SbSTP蛋白可能在N端或(和)C端區(qū)域發(fā)生了TMD缺失事件，并且在高粱中的TMD缺失要明顯高于木薯、葡萄和番茄中STP蛋白TMD的缺失[13-14, 16]。在基因結(jié)構(gòu)上，SbSTP外顯子數(shù)量為1～5個(gè)，以2～4個(gè)居多，數(shù)量上表現(xiàn)出豐富的變異性，在擬南芥、葡萄、梨STP基因中也有類似的現(xiàn)象[10, 12-13, 15]，由 Xu等[35]對基因結(jié)構(gòu)研究結(jié)果推測，STP基因結(jié)構(gòu)的差異性可能是進(jìn)化過程中內(nèi)含子和外顯子的缺失或插入等變異造成基因結(jié)構(gòu)分化的結(jié)果。

系統(tǒng)進(jìn)化分析表明，高粱、擬南芥和水稻的全部STP蛋白可被分為6組，其中SbSTP位于Ⅰ～Ⅴ組，每組中都含有AtSTP和OsSTP，表明在這3個(gè)物種中STP蛋白關(guān)系密切，具有高度保守的特點(diǎn)。此外，在進(jìn)化樹上，每個(gè)SbSTP都與1個(gè)OsSTP組成1個(gè)最小的進(jìn)化分支，并且在SbSTP形成的19個(gè)最小分支中，13個(gè)分支上的 SbSTP和OsSTP同時(shí)為直系同源基因?qū)?，這表明高粱STP與水稻具有更近的親緣關(guān)系，這與高粱全基因組研究結(jié)果一致[25]。在STP成員數(shù)量上，高粱STP成員數(shù)量明顯少于由同一祖先分化而來的水稻，表明禾本科祖先在由水稻向高粱進(jìn)化過程中STP基因發(fā)生了大量的基因丟失事件[25]。在木薯、梨、水稻的進(jìn)化過程中，片段復(fù)制和串聯(lián)重復(fù)在STP家族的擴(kuò)張和功能分化中發(fā)揮了重要作用[11, 15-16]，而在高粱的STP基因進(jìn)化上片段復(fù)制和串聯(lián)重復(fù)各僅有一次，且在進(jìn)化過程中SbSTP家族成員呈現(xiàn)丟失縮減的特征，這對SbSTP功能的影響還有待進(jìn)一步探討。

系統(tǒng)進(jìn)化上位于同一分支的STP蛋白可能具有相似的生化特性[16, 36]。在Ⅰ組中，SbSTP8的直系同源基因，AtSTP1特異性在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，參與擬南芥碳素獲取，并且可能參與保衛(wèi)細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)[19]；AtSTP11是一種在花粉管上特異性表達(dá)的單糖載體，參與花粉管發(fā)育過程中的單糖運(yùn)輸[37]。在Ⅲ組中，AtSTP6與SbSTP6在同一分支上，是一種高親和性的可轉(zhuǎn)運(yùn)多種單糖H+/糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要在花粉發(fā)育后期表達(dá)[38]；同樣的AtSTP13與SbSTP3位于同一分支，被認(rèn)為是在維管束組織中表達(dá)的特異性己糖/ H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可能通過參與碳、氮代謝，來調(diào)節(jié)植物的生物產(chǎn)量[39]。在Ⅴ組中，AtSTP3是SbSTP2的直系同源基因，是由綠色葉片損害誘導(dǎo)的低親和力、能量依賴的H+同向轉(zhuǎn)運(yùn)載體[40]。擬南芥中這些已知功能的STP，能夠?yàn)檫M(jìn)化上較近的高粱STP基因功能預(yù)測和研究提供一定的參考。

STP基因植物單糖分配中發(fā)揮著重要作用，進(jìn)而參與到植物生長和發(fā)育過程中的不同代謝途徑。本研究利用公共數(shù)據(jù)庫中的高粱RNA-Seq數(shù)據(jù)對SbSTP的表達(dá)模式進(jìn)行了研究[26-27]，SbSTP在不同高粱組織中表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式。同樣，AtSTP在不同的擬南芥組織中也表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式，如AtSTP1主要在根中表達(dá)，是從胞外吸收己糖的主要載體[10,19]；AtSTP3在葉中特異性表達(dá)，可能參與到從細(xì)胞質(zhì)滲漏胞外糖的轉(zhuǎn)運(yùn)[36]。在本研究中，一些基因也表現(xiàn)出組織特異性表達(dá)，如SbSTP11特異性在花中表達(dá)；一些基因還在某些組織中表現(xiàn)出高表達(dá)，如SbSTP7在葉片中高表達(dá)，SbSTP6、SbSTP9、SbSTP10、SbSTP17在花序中高表達(dá)；此外，SbSTP5在ABA和PEG誘導(dǎo)的根中高表達(dá)，SbSTP4在ABA和PEG誘導(dǎo)的莖稈中高表達(dá)，推測這些基因可能參與到由ABA參與的或干旱引起的逆境應(yīng)答。SbSTP表達(dá)模式的分析為這些基因在特定組織中的潛在功能提供了證據(jù)。

綜上所述，本研究對高粱STP基因組家族進(jìn)行了綜合分析，家族成員可以分為5組，在同一組上的家族成員具有相同或類似的基序類型和排列順序。對3個(gè)物種的系統(tǒng)進(jìn)化分析和共線性分析，為高粱STP基因家族的進(jìn)化特征提供了有價(jià)值的線索。系統(tǒng)發(fā)育和基因表達(dá)分析，有助于揭示高粱STP基因的功能。SbSTP基因在不同組織和誘導(dǎo)處理下的表達(dá)模式表明這些基因可能在高粱的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。研究結(jié)果為進(jìn)一步研究單個(gè)SbSTP基因的生物學(xué)功能，挖掘SbSTP家族的應(yīng)用潛力奠定了基礎(chǔ)。