高等植物蔗糖合成酶基因家族的进化史

背景

蔗糖合酶(SUS)被广泛认为是参与高等植物蔗糖代谢的关键酶，是作物库强度的生化标记。然而，尽管在表征SUS基因家族的生理功能方面取得了重大进展，但对该家族在高等植物中的进化过程和意义的了解仍然不完全。

结果

在该研究中，我们在19种植物物种中鉴定了100多种基因，并重建了它们的系统发育，呈现在高等植物中的SUS基因家族演化的潜在框架。三种古代分叉的SU基因亚脲（SU，II和III）基于它们的系统发育关系和血管植物中的独特内含子/外显子结构，并且发现它们在单子叶和双叶片中独立地发展。SUS基因的每个亚家族在各种植物中表现出不同的表达模式，这意味着在单焦点和奇特的分歧之前发生它们的功能分化。此外，SUS III基因在Dicots中的松弛净化选择下进化，并显示出狭窄的表达型材。另外，对于SUS基因的所有三个亚颗粒，GT-B结构域比“调节”结构域更加保守。

结论

本研究揭示了SUS基因家族在高等植物中的进化过程，为被子植物SUS基因的进化保护和功能分化提供了新的认识。

蔗糖是高等植物光合作用的主要最终产物，从源叶向库器官输出。植物中的蔗糖分解代谢是世界上最大的代谢通量之一，在碳资源分配和糖信号启动中起着关键作用[1那2]．蔗糖通过转α（INV）将葡萄糖和果糖或SUS水解，其催化蔗糖和尿苷二磷酸（UDP）至果糖和UDP-葡萄糖的可逆转化率[1那2那3.]．有令人信服的证据表明，SUS在促进碳的进入非分水合成植物细胞的代谢以及测定作物物种中的水槽强度的作用。例如，rugosus4（Rug4.)豌豆的突变减少种子质量和淀粉含量[4.),shrunken1（sh1）玉米中的突变导致沉积的种子表型由于胚乳细胞壁整合的破坏[5.]．对SU基因特异性同种型的反义抑制降低了番茄中幼果的果实环境和蔗糖卸载能力[6.]减少马铃薯块茎中的淀粉积累[7.]影响胡萝卜中纤维素和淀粉的生物合成[8.，并抑制棉花纤维细胞的起始、伸长和种子发育[9.]．土豆的过度表达Sus4.基因增加淀粉，腺苷二磷酸二磷酸（ADP） - 葡糖和UDP-葡萄糖的水平和马铃薯的总产量[10.，提高玉米种子胚乳中淀粉和adp -葡萄糖含量[11.，减少种子败育，提高棉花纤维产量[12.]．

SUS是由一个多基因小家族编码的高等植物。对单个物种SUS基因的研究表明，结构保守、表达和功能分化与基因家族进化密切相关。的拟南芥SUS基因家族仅包含6个表达谱不同但部分重叠的SUS基因[13.]，他们的角色通过相应的敲除突变体进行了研究[14.]．ATSUS1和ATSUS4.在缺氧条件下表现出显著的诱导作用，并且这两个基因的双突变体在水培培养中生长速度降低[14.]．ATSUS5和ATSUS6.在韧皮部中特异表达，在胼胝质合成中具有特异功能[15.]．Pea拥有一个SUS基因家族，至少包含三个不同的基因，即:Sus1.那Sus2.和Sus3.，这三种基因显示出不同器官和器官发展中的不同表达模式。这些基因，Sus1.显示组成型表达模式，在显影种子中高度表达，缺乏Sus1.活动Rug4.豌豆的突变体不能用Sus2.和Sus3.[16.]．在棉花、杨树、柑橘和葡萄等其他植物中，不同SUS基因的组织特异性和发育依赖性表达模式表明，每个SUS基因可能具有特定的生理功能[17.那18.那19.那20.]．然而，植物SUS基因在表达和功能上的差异是否发生在特定物种出现后，或者至少在一定程度上发生在被子植物的共同祖先中，目前尚不清楚。

尽管在确定SUS基因的生理功能和监管机制方面取得了令人信服的进步，但我们对高等植物中SUS基因家族进化过程的了解仍然不完整。分子遗传研究提供了对个体蛋白质的生理功能的实质性见解，而进化分析将阐明基因家族的起源和扩张史，并进一步向进化角度提供新的洞察力。几年来，我们对植物中SUS基因家族的演变的理解一直基于个体血症种类的调查[17.那20.那21.]．因此，为了更好地了解高等植物SUS基因的进化，有必要在更大范围内进行全面的进化分析。在本研究中，我们选择了16种被子植物和3种裸子植物、蕨类植物和苔藓植物来研究当前的SUS基因是如何从原始被子植物SUS谱系中进化和分化出来的。我们对植物SUS基因的分类、基因复制、结构特征、选择压力和表达谱进行了研究。这些结果将为了解SUS基因的进化史以及进化差异对SUS基因功能多样性的影响提供基础参考。

Angiosperms中SU基因的分类

共有96个SUS基因在16个贪心植物种类中鉴定出10种Dicot植物，5种单焦植物和基础植物，Amborella trichopoda，使用隐马尔可夫模型(HMM)和BLASTP搜索(图。1）.在调查的所有物种中，大豆拥有最多的SUS基因(12个)，比观察到的多6倍A. Trichopoda.(2)其余14个物种均含有5 ~ 8个SUS基因。

本研究调查的16种被子植物占据了重要的系统发育位置，因为它们包括三个主要的被子植物谱系(单子叶植物、小行星和蔷薇植物)和一个基生被子植物谱系(图。1）.为了了解SUS基因在被子植物中的系统发育关系，我们构建了16种被子植物中96个SUS基因的无根系统发育树。系统发育树将SUS基因家族清晰地划分为三个亚家族，分别为SUS I、II和III。每个亚科进一步聚为3个类群:单子叶类群、双子叶类群和基生被子植物类群。2）.ATSUS5和ATSUS6.包含一个3 '扩展名[13.]．在本研究中，几乎所有SUS III亚家族基因的蛋白质表现出C末端延伸（附加文件1图S1)，表明被子植物的SUS III基因可能是从共同祖先进化而来的。

内含子/外显子装置通常被认为是基因文理中的重要参数[29.那30.]．为了确认SUS基因的分类，我们在开始和止锁密码子之间分析了96个SUS基因的预测内含子/外显子结构（附加文件2:图S2)。基于内含子/外显子布置和外显子长度（附加文件6.：表S1）已经研究过的96个SUS基因，我们重建了Angiosperms的SU，II和III基因的拟议的古代内含子结构（图。3.）.古SUS I和SUS II基因有15个外显子，而古SUS III基因有17个外显子，包含3 '延伸。3个古SUS基因的第3 ~ 14外显子长度高度保守。内含子缺失是被子植物中SUS古老基因后代普遍存在的现象，尤其是SUS I和SUS III基因的双子叶组。对于SUS I基因的双子叶组，内含子在第5和第6外显子之间和第12和第13外显子之间丢失。在SUS III基因的双子叶组中，内含子也在第12和第13个外显子之间丢失。内含子丢失仅发生在少数SUS II基因中(附加文件)2:图S2)。总的来说，SUS I、II和III基因具有不同的内含子/外显子排列。综上所述，我们对被子植物中96个SUS基因的系统发育和内含子/外显子结构的分析表明，在单子叶和双子叶分化之前，SUS基因有3个祖先亚家族。

高等植物中SUS基因的进化轨迹

为了追踪SUS基因在高等植物中的进化，我们获得了25条同源序列Physcomitrella金属盘（苔藓），Selaginella Moellendorffii(蕨类植物),Picea amies（裸子植物）和3种Agiosperm（A. Trichopoda.那拟南芥蒂利亚纳和栽培稻）.以7条来自蓝藻和绿藻的SUS序列为外群，构建系统进化树，推测SUS基因的进化轨迹。SUS基因在种子植物中有两个进化枝(进化枝A和进化枝B)，都包含裸子植物分支和被子植物分支。SUS I和SUS II基因构成A枝的被子植物分支，SUS III基因构成B枝的被子植物分支(图2)。4.）.在系统发育树中，分支A的SUS基因与苔藓和蕨类植物分支的SUS基因相近。4.)，它们也有类似的内含子/外显子排列(图。3.；额外的文件3.图S3)，说明进化枝A的基因比进化枝B的基因更保守。先前的研究揭示了祖先种子植物全基因组复制事件(ε)和祖先被子植物全基因组复制事件(ζ)分别发生在现存种子植物和现存被子植物多样化之前不久[31.]．根据图1所示的系统发育关系。4.其中，SUS I和SUS II基因可能来源于原始被子植物WGD事件，而A和B支SUS基因可能来源于原始种子植物WGD事件。进化枝B的SUS基因的蛋白包含一个类似于苔藓植物和蕨类植物SUS蛋白的c端延伸4.:图S4)。而枝B的SUS基因则多了2个3 '端外显子，这在枝A、苔藓植物和蕨类植物中均未发现(图2)。3.；额外的文件3.：图S3），表明CLADE B SUS基因是种子植物中的一种新型SUS基因。

进一步推测了SUS基因在被子植物中的扩展模式。SUS基因的串联复制很少发生，而被子植物中SUS基因的扩增主要通过WGD进行。在单子叶植物中，一个WGD事件(τ)已经被推断出发生在它们从双子叶进化枝分化之后[32.]而且全基因组三次事件（γ）可能由所有核心销售分享[33.那34.那35.]．一系列成功的WGDS与白垩纪 - 古烯（K-PG）边界相关联36.那37.]．还有一些最近的WGDs似乎是在许多不同的植物谱系中独立发生的(图。1）.在大豆中以SUS基因作为示例，“伽玛”事件，纸质谱系WGD事件和大豆谱系特异性WGD事件分别增加了SUS基因的数量2,2和5（图。5.；额外的文件7.：表S2）。由于大豆谱系特异性WGD事件中重复的SU基因的高保留比，大豆中SUS基因的数量几乎是其他物种的两倍（图。1）.有趣的是，我们调查的五种单子叶植物中的SUS II基因中没有发现扩张;它们每个只包含一个SUS II基因，与在中的数字相同A. Trichopoda.．

综上所述，在种子植物中，SUS基因有两个单系进化枝，而进化枝B的SUS基因可能是一个新的进化枝，因为它包含了另外两个3 '端外显子。在被子植物中，SUS基因有3个亚科，其中被子植物中SUS基因的扩展主要通过WGD进行，而草中SUS II基因尚未扩展。

SUS III基因是在双子叶植物放松纯化选择下进化的

越来越多的证据表明，来自同一基因家族的不同亚家族可能会经历不同的纯化选择压力，形成相对固定的表达模式，具有不同的功能[38.那39.]．为了确定SUS基因是否在Anuiaperms中的不同进化约束下，计算了计算SUS基因三个亚壳的每个同义位点（ω）值的同一位点的非纯类替换的总比率（图。6.；额外的文件8.:表S3)。SUS II基因的整体ω值(0.0630)显著低于SUS我基因(0.0842)和SUS三世在单子叶植物基因(0.0962),这表明,SUS II基因在单子叶植物净化选择强,可能是因为我们调查五单子叶植物只有一个SUS II基因(图。1）.在双子叶植物中，SUS III基因的总ω值(0.0990)显著高于SUS I基因(0.0865)和SUS II基因(0.0889)，表明SUS III基因受到了宽松的纯化选择，可能获得了新的功能。

SUS基因的表达谱

此外，我们研究了SUS基因的三个亚属植物的表达谱A. Thaliana.那g·马克斯那Solanum lycopersicum那茄属植物tuberosum和o.苜蓿从公开可用的RNA-seq数据(图。7.）.在拟南芥那ATSUS5和ATSUS6.来自SUS III亚家族的基因仅在特定组织中表达，而SUS I (ATSUS1和ATSUS4.)及二级技能提升计划(ATSUS2.和ATSUS3)基因的表达量比SUS III基因的表达量大(图3)。7.a).在其他四种植物(西红柿、土豆、大豆和水稻;无花果。7.c)。这些表达数据表明，SUS III基因比SUS I和SUS II基因具有更多的组织特异性表达模式。此外，来自5个物种的SUS I基因在不同的营养和生殖器官中均有组成性表达(图1)。7.）.

SUS基因在双子叶植物中的独特表达模式(图。7.）同意他们经历的不同选择压力（图。6.）.SUS III基因在双子叶松弛纯化选择条件下进化，表现出组织特异性表达模式，而SUS I基因受到更大的进化限制，表现出更广泛的表达模式。有趣的是，虽然SUS III基因并没有在宽松的进化约束下进化，但与单子叶植物中的SUS I基因相比，水稻中的SUS III基因仍然表现出组织特异性的表达模式(图2)。7.e）。这些发现揭示了SUS I基因在维持细胞蔗糖代谢方面的保守功能，并且SUS III基因可能在高血管植物的演变中获得新功能。观察到蔗糖代谢的另一个基因的类似模式。中性/碱性反转酶基因显示宽或组成型表达模式，并且经历了比酸转化酶基因更大的进化约束，其表现出更多的组织特异性表达模式[38.]．

CTD、EPBD和GT-B域受到不同的选择压力

植物SUS多肽链包括一个细胞靶向结构域(CTD)、一个早期结节蛋白40 (ENOD40)肽结合结构域(EPBD)、一个典型的GT-B结构域和一个c端(图)。8.一种） [41.那42.]．n端“调控”结构域，包括CTD和EPBD，参与细胞靶向，GT-B结构域参与糖基转移反应。6个SUS基因的一般动力学特性拟南芥，它们依赖于GT-B域，彼此之间关系密切[14.]．根据代谢环境的不同，SUS通过与各种细胞器膜的相互作用，改变其细胞位置，从胞质到纤维素、胼胝质和淀粉生物合成的位置[43.那44.那45.[cytoskeletal actin [46.]通过其“监管”领域[41.]．SUS的CTD，EPBD和GT-B域具有不同的功能，并且这些域也可能经历不同的选择压力。我们计算了单焦和平塔中SUS基因三种亚颗粒的ω值。为了我们的意外，SU基因所有三个亚壳的GT-B结构域的Ω值低于“调节性”域的GT-B结构域（图。8.c;额外的文件9.:表S4)。GT-B域的活动位点几乎是相同的，在三个亚家族内部和之间(附加文件5.:图S5)。因此，GT-B结构域比“调控”结构域更保守，受到更多的进化约束。

蔗糖广泛存在于生物中，包括蓝藻、单细胞藻类，尤其是高等植物。它通常是在盐或渗透胁迫下在蓝藻中合成的，被认为有助于维持渗透平衡[47.那48.]．然而，在大多数植物中，蔗糖是光合作用的主要最终产物，蔗糖代谢在碳资源分配和糖信号的启动中发挥枢轴作用[1那2]．蔗糖被SUS分解成udp -葡萄糖和果糖或者被INV分解成葡萄糖和果糖[49.]．Wan等人已经阐明了三种INV的进化步骤和功能含义之间的关系。[38.]．由于SUS基因在高等植物中的进化历史尚不完整，全面了解其进化轨迹、结构特征、表达谱和功能意义，将有助于优化碳资源配置，提高作物产量。

植物SUS基因的起源、进化与分类

SUS基因可能起源于变形菌纲或变形菌纲与蓝藻纲的共同祖先，植物可能是从蓝藻纲遗传而来[48.]．通过对不同植物的全基因组测序，比较基因组方法已鉴定出大量的SUS基因，可用于研究植物SUS基因的起源、进化和分类。在本研究中，系统发育分析表明，植物的SUS基因形成了一个单系群，表明所有植物的SUS基因可能起源于一个共同的祖先[48.(图。4.）.WGD或多倍体通常随后进行大量基因丧失和代级化，是植物中的常见现象[31.]．保留的重复基因不仅为生物创新提供了必要的遗传物质，而且还引起了植物同源基因的多样性。来自种子植物的SUS基因形成了两个单系进化枝(进化枝A和进化枝B)。4.），可能是因为种子植物的祖先经历了WGD事件[31.]，复制的SUS基因拷贝被保留。此外，在分支A中还发现了被子植物SUS基因的两个亚科(SUS I和SUS II)。4.)可能源于原始被子植物WGD事件[31.]．根据系统发育关系，植物SUS基因历史上被分为三个主要亚科(Sus1, SUS A和New Group/NG) [13.那50.]．我们对被子植物SUS基因的系统发育分析与这一分类相一致，我们将其分别命名为SUS I、II和III(图2)。2）.此外，进化枝A的基因比进化枝B的基因更接近于原始类型植物的SUS基因，因为前者的基因在系统发育树中与苔藓植物和蕨类植物的SUS基因聚类(图2)。4.)，具有与苔藓植物和蕨类植物SUS基因相似的古老内含子/外显子结构(图2)。3.；额外的文件3.：图S3）。相反，思工B基因可能是出现在种子植物中的新型。

被子植物SUS基因的每个亚科至少由两个独立的组组成，即单子叶组和双子叶组。2)，这与被子植物中55个SUS基因的分类一致[51.]．在其他涉及Anuiosperm Sus基因的分类的研究中，SUS II基因也由单子叶和双斑点的基因组成;然而，来自单焦点和双点的基因没有独立组织[17.那19.，这可能是因为所使用的单子叶SUS基因数量相对较少。我们的研究结果支持了单子叶和双子叶SUS基因独立进化的观点。在单子叶和双子叶分裂后，它们的祖先经历了特定的WGD事件[32.那33.那35.那52.]．在随后的演变期间出现了许多物种，经验丰富的血统特定的WGD事件[36.]．WGD事件和随后特定SUS基因的保留和丢失导致不同物种SUS基因的进化轨迹不同[17.那18.那20.]．

在一定程度上，内含子/外显子结构允许我们预测SUS基因的可能起源和关系[13.那50.]．在我们的研究中，高度保守的Anuiaperms的三个古老SUS基因的前14个外显子（图。3.），进一步表明SUS基因的所有三个亚属亚属可能来自共同的祖先[48.]．三个SUS亚家族中内含子/外显子结构最明显的差异是，大多数SUS III基因在3 '端还有两个外显子(Additional file)2：图S2），中未在白细胞和Pteridophyte SU基因中发现（附加文件3.：图S3）。然而，SU III基因中的3'延伸的功能仍然未知。SUS基因的每个亚家族具有不同程度的内含子损失，并且在SU和III基因的双斑点中，第12和第13次外显子之间的内含子损耗（附加档案2:图S2) [13.那50.]．SUS基因内含子损失的进化和功能性意义需要进一步研究。

SUS I基因可能在o中蔗糖新陈代谢的关键作用₂- 缺货环境

蔗糖代谢对多细胞植物至关重要，可被SUS或INV降解;然而，这些酶在特定植物中的确切作用在很大程度上仍是未知的[2那15.]．两个SUS和INV都显示为多个，不同的同种型。细胞质INV（CIN）基因是古老的，可能在维持细胞溶质糖稳态和细胞功能方面发挥关键作用。细胞壁INV（CWIN）和真空INV（VIN）基因受到松弛净化选择压力，并且CWIN基因已经与血管植物共束，这可能是韧皮卸载的功能成分[38.]．在被子植物中，SUS基因可以被清晰地分为三个亚科。2）[13.那20.];然而，每个亚科的确切功能尚未阐明。我们推测SUS基因的每个亚家族可能具有不同的功能。

蔗糖通过SUS转化为己糖磷酸只需要INV转化所需ATP的一半，而在O型糖中，SUS途径被认为比INV途径更有效₂- 可以限制ATP合成的缺陷环境[1那14.那15.]．在单子叶植物和双子叶植物中，通过缺氧或缺氧诱导某些SUS基因是普遍存在的现象。的表达Sus1.和Sh1在玉米、SS1在小麦，和苏珊∗Dc1在低氧或缺氧条件下诱导或增强[53.那54.那55.[所有这些基因来自SUS I基因亚家族。同样，在A. Thaliana.，转录水平增加ATSUS1和ATSUS4.但缺氧下的其他SU基因（附加档案10.:表S5) [13.那56.[这两个基因的双突变体显示缺氧下显着的生长迟缓[14.]．反义抑制黄瓜SU基因的抑制（CsSUS3)减低对缺氧压力的耐受性[57.]．始终如一地，一些SUS基因长期被认为是用于沉降强度的生物化学标志物，特别是在代谢高度活性或笨重的器官中，其中内源性氧气水平可能是低的。例如，玉米的突变缺乏Sus1.要么Sh1导致降低淀粉含量[5.]，而反义抑制特定的SUS基因大大减少了马铃薯块茎中的淀粉积累[7.]，抑制棉花纤维伸长和种子发育[9.]．此外，我们研究了与水槽强度相关的SU基因，发现几乎所有这些来自SUS I的基因（表1）.因此，我们推测SUS I基因而不是SUS II和III基因负责O细胞中蔗糖的转化₂- 进行环境。符合此视图，单倍型协会显示两个SUS I基因（TaSus1和TaSus2）来自小麦与千粒重量相关，主要取决于淀粉合成的速率和量[58.那59.]．SUS I基因显示不同植物和生殖器官中的组成型表达（图。7.)，在正常氧水平下，它们在蔗糖代谢中的作用可被INV基因替代[14.]．然而，在氧气含量不足的情况下，SUS I基因是不可替代的。

SUS II和SUS I基因具有相似的古老内含子/外显子结构，可能来源于原始被子植物WGD事件。这两个SUS亚家族的基因表达谱不同。7.）[13.，表明它们的功能可能经历了一定程度的分化。例如，两个SUS II基因来自拟南芥，即ATSUS2.和ATSUS3，没有响应o引起的₂缺乏，这两个基因的双突变体与野生型（WT）控制没有明显不同，尽管这两个基因在种子中强烈表达[13.那14.]．江等人。[60.]报道了一个棉花SUS II基因(表1），GhSusA1，这与生产力密切相关，作为水槽强度的关键调节器，表明某些SUS II基因可能与特定植物中的SUS I基因具有功能重叠。

SUS III基因表现出狭窄的表达谱，尽管它们的功能尚不清楚

SUS III基因具有不同于SUS I和SUS II基因的内含子/外显子结构2:图S2)，显示一个狭窄的表达式轮廓(图S2)。7.)，并在双子叶中受到宽松的净化选择压力(图。6.)，提示SUS III基因可能具有不同于SUS I和SUS II基因的功能。Wan等人[38.]报道了CWIN基因在高等植物中出现并表现出组织特异性表达模式，可能是与高等植物维管发育共同进化的。两个拟南芥SUS III基因，即ATSUS5和ATSUS6.，仅在特定的组织和器官中表达(图。6.)，由这两个基因编码的蛋白质特别存在于韧皮部中[15.]．这两个基因的双突变体在筛板孔内壁显示出比野生型植物更薄的胼胝质层。这两个SUS III基因被认为参与筛板中胼胝质的形成[15.]．因此，我们认为SUS III基因可能也参与了高等植物维管发育过程。

植物SUS基因的进化保守与分化

如上所述，所有植物SUS基因可能从共同的祖先演变。在迄今为止迄今为止的植物物种中，SUS由小型多岛家族编码。对SU基因的三个亚壳的内含子/外显子结构的比较筛查确实揭示了内含子的数量和位置在高管培养中高度保守，尽管在特定的SU基因中丢失了一些内含子（图。3.；额外的文件2:图S2)。此外，AtSUS1的GT-B域的16个活性位点在被子植物SUS基因中几乎完全相同[41.]（附加文件5.：图S5），GT-B结构域经历了强大的净化选择（图。8.）.此外，来自不同亚属的SUS的同种型拟南芥具有相似的动力学性质[14.]．以上结果表明，SUS基因在植物中具有结构和功能上的保守性。因此，我们推测不同的SUS基因可能在不同的细胞类型或细胞器中，在不同的发育阶段或不同的胁迫条件下，发挥相似的功能。我们的分析表明，被子植物SUS基因的三个亚科表现出不同的表达谱，这些表达谱可能是在单子叶和双子叶分化之前形成的。一般来说，每个亚家族中源自WGD事件的同源或复制的SUS基因继承了其祖先的表达模式(图。7.）.此外，SUS根据代谢环境改变其细胞位置，通过与各种细胞器膜和细胞骨架肌动蛋白的相互作用，参与纤维素、胼胝质和淀粉的生物合成[41.]．SUS基因的时空表达的特异性和蛋白质亚细胞定位的变异性决定了其功能的多样性。识别单个SUS基因的功能是一项挑战，这不仅是因为重复的SUS基因之间存在功能冗余[14.]但也因为vin基因可以部分功能替代SUS基因[15.]．

Angiosperm SUS基因家族可以基于它们的系统发育关系和独特的内含子/外显子结构分为三种亚属（SUS I，II和III），并且发现它们在单子叶和双叶中独立地发展。SUS基因的每个亚家族在各种植物中表现出明显的表达模式，并且SUS III基因在Dicots中的松弛净化选择下进化并显示出狭窄的表达型材。这项工作应该为了解SUS基因的进化史以及进化分歧如何导致SUS基因的功能多样性的基础。

数据采集

的基因组序列、注释和基因模型A. Thaliana.那危害风疹那Brassica Rapa.那g·马克斯那Pinguicula寻常魅力那Medicago Truncatula.那vitis Vinifera那S. lycopersicum.那美国tuberosum那胡萝卜胡萝卜那Setaria italica那Zea Mays.那高粱双色那Brachypodium distachyon那o.苜蓿那A. Trichopoda.那美国moellendorffii那p .金属盘， 和Coccomyxa subellipsoidea均采自Phytozome (https:///phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html.）.数据p .冷杉属从Congenie下载（http://congenie.org/）.AtSUS1的四聚体结构来源于A. Thaliana.是从结构生物信息学（RCSB）蛋白质数据库（PDB代码3S27）的研究协作中获得的。

鉴定SUS基因

我们结合HMM和BLASTP搜索来确定19个物种的SUS基因。首先，从Pfam网站(http://pfam.xfam.org/)，然后利用这两个HMM谱图作为查询，使用HMMER (V3.0)软件识别所有可能的SUS基因。二是六种氨基酸的序列阿斯图斯基因[13.), 7OsSUS基因[61.使用阈值期望值设定为1E-10的阈值期望值来运行BLASTP搜索以针对每个物种中的所有蛋白质序列。从HMM和BLASTP搜索获得的所有命中都被合并在一起，删除了冗余命中。最后，所有候选序列都进行了在线PFAM分析（http://pfam.xfam.org/)，进一步证实它们同时具有SUS结构域和糖基转移酶1组结构域。去除缺少SUS结构域或糖基转移酶1组结构域的蛋白序列。

系统发育和基因结构分析

使用ClustalW对氨基酸序列进行比对，手工去除缝隙和未对齐的切片。使用MEGA v7.0中对齐的氨基酸序列，采用最大似然(ML)方法进行系统发育树重建。参数如下:模型，WAG;救赎,1000复制;缺失数据，部分删除。从GFF文件中分析了SUS基因的结构，并利用植物内含子外显子比较与进化(PIECE) (https://wheat.pw.usda.gov/piece/gsdraw.php.）.

估计K._一种/K._S.比率

使用基于氨基酸序列的CLUSTALW对准同源基因对的密码子序列。每种非同义网站的非同义替换的比率（K._一种)为每个同义地点的同义替换(K._S.）（ω值)，使用DnaSP version 5计算。饱和效应是通过丢弃基因对来避免的K._S. > 2. Theω值通常被认为是蛋白质水平上选择的量度，值为ω > 1, =1 and < 1 indicating positive selection, neutral evolution and negative or purifying selection, respectively.

支持本手稿的结论的数据集包含在文章及其附加文件中。

ADP:

二磷酸腺苷

ATP:

三磷酸腺苷

CIN:

细胞质INV.

仪:

细胞目标域

CWIN:

细胞壁发票

与:

果糖早期40

EPBD：

与peptide-binding域

FPKM：

每千碱基外显子模型的片段每百万读取映射

唔：

隐藏的马尔可夫模型

inv：

逆变酶

ML:

最大似然

mya：

百万年前

PDB:

蛋白质数据银行

SUS:

蔗糖合成酶

UDP:

尿苷二磷酸酯

文:

空泡的发票

摇:

Whelan和高盛

WGD：

全基因组重复

重量:

全基因组三倍

WT:

野生型

感谢张永霞、刘清泉、王银杰和王伟林对我们研究工作的宝贵帮助和意见。

该工作得到了国家自然科学基金（31701497）的支持，江苏省植物资源研究和利用重点实验室（JSPKLB201801和JSPKLB201832）（中国）。资助者在研究设计，数据收集，分析和解释或稿件的准备方面没有作用。

从属关系

1. 江苏植物资源研究与利用重点实验室，江苏植物园与中国科学院研究所，南京，210014

   小康徐，永恒杨，玉敏孙，张张，蒙兰侯，苏镇黄海扬元

2. 江苏农业科学院散域研究所/江苏省园林作物遗传改良重点实验室，南京，210014

   春晓刘

贡献

XX和Hy设计了研究。XX，YY，CL，YS，TZ和MH进行了实验并分析了数据。xx，sh和hy写了稿件。所有作者都阅读并批准了最后一篇论文。

通讯作者

对应到海燕元．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

提交人声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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