近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了美国罗格斯新泽西州立大学（Rutgers, The State University of New Jersey）Joachim Messing院士课题组题为“Transcriptome and metabolome reveal distinct carbon allocation patterns during internode sugar accumulation in different sorghum genotypes”的研究论文。
高粱（Sorghum bicolor）不仅仅是重要的谷类粮食作物，它还是新兴的能源作物。甜高粱（sweet sorghum）能在种子发育期在茎秆中积累高浓度的可溶性糖分，适于制糖和发酵称为生物乙醇。因此，了解甜高粱茎秆中可溶性糖分积累的分子机制是能源作物研究的重要课题之一。该研究分析了高粱渐渗系R9188和它的两个亲本甜高粱RIO和食用高粱BTx406，其中甜高粱RIO在种子灌浆期茎秆中可累积高浓度的蔗糖，而渐渗系R9188由于带有低糖亲本BTx406的基因组渗入片段而在茎秆中积累中等浓度的蔗糖。研究通过结合生理学、转录组学、靶向代谢组和非靶向代谢组技术，系统地比较了三者在糖分积累的不同时期转录组和代谢组变化。
代谢组学结果表明，甜高粱茎秆的蔗糖代谢具有两个特点：一是甜高粱中糖磷酸浓度稳定；二是甜高粱与BTx406和R9188有着相反的海藻糖6磷酸变化趋势。渐渗系R9188在茎秆累积中等浓度的蔗糖并且其部分淀粉代谢相关基因活跃；而在甜高粱RIO茎秆中蔗糖浓度最高，其蔗糖、淀粉和细胞壁代谢相关基因在茎秆中高表达。渐渗系R9188和其低糖亲本BTx406在开花后蔗糖降解通路相关基因下调，糖磷酸浓度下降，这与淀粉和细胞壁代谢下调一致。该研究还发现从低糖亲本BTx406渗入到R9188中的多个海藻糖6磷酸调节基因可能与海藻糖6磷酸信号的改变相关，其中包括C族bZIP转录因子和海藻糖6磷酸磷酸酶。总体上，转录组学和代谢组学的结果显示，在高粱茎秆中不同主要代谢通路的协同作用与甜高粱中的高蔗糖需求和蔗糖积累相关，该研究为理解蔗糖在高粱茎秆中的积累提供了新见解，为遗传改良能源作物中可溶性糖分积累提供了新的候选基因。