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木薯是世界三大薯类作物(木薯、甘薯、马铃薯)之一,全球第六大粮食作物。木薯是光合速率最高的一种C3植物,具有非常高的蔗糖合成能力,其块根中储藏着大量的淀粉。光合作用合成的蔗糖被运输到需要的部位后,首先被转化酶或蔗糖合成酶催化分解成己糖。己糖激酶可催化己糖磷酸化,不可逆的生成磷酸己糖,是植物碳水化合物代谢的关键酶之一。因此研究木薯己糖激酶基因家族,有利于我们进一步了解木薯块根淀粉积累过程中的蔗糖代谢及糖信号的转导。我们根据美国木薯基因组数据库,预测并克隆出了木薯己糖激酶基因家族,分析了木薯己糖激酶基因家族的进化历史,通过启动子分析、基因表达分析、酶活性分析,探讨木薯己糖激酶家族成员在源库器官中的作用。本实验获得以下结果：1、利用木薯基因组数据库,预测获得木薯己糖激酶基因家族全部7个成员,分别命名为MeHXK1-7,基因登录号分别为MeHXK1(KJ417433)、MeHXK2(KJ417434)、 MeHXK3(KJ417435)、MeHXK4(KJ417436)、MeHXK5(KJ417437)、MeHXK6(KJ417438)MeHXK7(KJ417439)。通过RT-PCR,从华南8号木薯品种中克隆出6个己糖激酶基因(MeHXK1-6)的CDS区。2、木薯己糖激酶蛋白可以分为A类型(MeHXK1)和B类型(MeHXK2-7),蛋白质3D结构预测表明,MeHXK1-5具有大小两个结构域组成(N端形成小结构域,C端形成大结构域),催化残基和底物结合位点位于两个结构域之间的裂沟处。MeHXK6缺失了C端的一段序列、仅具有小结构域。3、内含子-外显子结构分析表明,木薯己糖激酶基因家族各成员的第一个外显子的结构相似,MeHXK1有7个外显子,MeHXK2,3,4和5有9个外显子,MeHXK6有6个外显子,MeHXK7有5个外显子。4、根据生物信息学分析,推测MeHXK1,2,5具有磷酸化功能和参与糖信号的转导,MeHXK3,4,6,7仅具有糖信号转导功能。5、启动子序列分析表明,木薯己糖激酶参与了光合作用的调节、激素信号的响应、逆境胁迫的响应。6、木薯、蓖麻和拟南芥己糖激酶基因家族的进化分析表明,它们的共同祖先(LCAl)具有5个原始的己糖激酶基因(HXK Ⅰ-△,分别属于Ⅰ-Ⅴ组,HXKII积Ⅲ编码HXK蛋白,HXKI,Ⅳ和V编码HKL蛋白。7、木薯己糖激酶基因表达的组织特异性分析表明,MeHXK2基因在所有检测器官中的表达量均比其他MeHXKs高,主要在叶片,茎、块根韧皮部、雄花和花表达；MeHXK1基因在各器官中表达量仅次于MeHXK2基因,主要在叶片、块根韧皮部、雄花和雌花中表达；MeHXK3基因在各器官的表达量均处于较低水平；MeHXK4在雌花中的表达量最高;MeHXK5主要在雄花和雌花中表达；MeHXK6在叶片中表达的表达量相对较高,其次为雌花；在各器官中,均未检测到MeHXK7的表达。MeHXKl,2,5在各器官的基因表达量,普遍比MeHXK3,4,6表达量高,表明这两类功能不同的己糖激酶基因,在木薯体内的表达水平具有差异。8、随着块根的发育,MeHXKs在叶片的水平具有逐步提高的趋势,其中表达量较高的两个基因MeHXKl和MeHXK2,分别在块根成熟期(植后225天、270天)、块根膨大后期(植后180天)迅速提高；MeHXK4,5,6在块根成熟后期(植后270天)的表达量达到最高。块根韧皮部中,MeHXK1和MeHXK2的表达量均比其他己糖激酶基因的表达量高,其中MeHXK2的表达量为最高,特别是MeHXK2在块根形成期(植后90天)、块根膨大后期(植后180天)的块根韧皮部中的表达量远高于其他基因。块根木质部中,MeHXK2的表达量均比其他己糖激酶基因的表达量高,特别是在块根形成期(植后90天),其表达量为最高。以上结果表明,在库器官中,MeHXKs主要在块根开始形成及淀粉快速积累时表达；在源器官中,MeHXKs主要在块根发育的后期表达。MeHXK1,2是木薯体内己糖磷酸化及糖信号转导的关键基因9、叶片中的己糖激酶活性测定发现,在块根形成期己糖激酶的活性最低；块根膨大期己糖激酶的活性处于最高水平；而到块根成熟期,己糖激酶的活性有所降低。块根中,己糖激酶活性呈逐步降低的趋势。在块根形成期,叶片、块根韧皮部、块根木质部的己糖激酶活性差别不大,而到块根膨大期和块根成熟期,叶片中的己糖激酶活性远高于块根。这表明,己糖激酶在木薯叶片中的蔗糖代谢过程中具有重要作用。