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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2013年第11期
植物蔗糖合成酶（sucrose synthase，SuS）主要
参与蔗糖、淀粉及纤维素的合成［1，2］，另外，在种
子发育、逆境胁迫及生物固氮等方面也起着重要作
用［3-5］。在植物体中蔗糖合成酶有 3 种存在方式，
即胞质中可溶性 SuS、细胞膜上不溶性 SuS 及细胞
骨架上的 SuS［6］，其中细胞质中的可溶性 SuS 是蔗
糖代谢途径中的一个重要控制点，它的活性反映了
植物体内蔗糖积累的能力。热带种 Badila（Sacchar-
um officinarum Linn. cv. badila）是一种水果型甘蔗，
蔗糖含量约 11%，与榨糖用甘蔗相差较大（蔗糖分
约 15％），热带种 Badila 能够抵抗多种甘蔗病害，
收稿日期 ： 2013-05-22
基金项目 ：现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-20-6-1）
作者简介 ：李和平，男，研究实习员，研究方向 ：甘蔗选育种及糖分生理生化 ；E-mail ：hepingli_1982@126.com
通讯作者 ：潘世明，研究员，研究方向 ：甘蔗选育种 ；E-mail ：panshiming666@sina.com
甘蔗热带种 Badila 蔗糖合成酶基因的克隆及表达分析
李和平 李海明 潘世明
（福建省农业科学院甘蔗研究所，漳州 363005）
摘 要 ： 植物中蔗糖合成酶是促使蔗糖进入各种代谢途径的关键酶之一。从 GenBank 中筛选出两条与一个蔗糖合成酶基因
高度相似的 EST 序列，利用 RACE 技术获得 1 个长度为 2 970 bp，包含完整编码框（2 448 bp）的 cDNA，命名为 SoSuS1（GenBank
登录号 ：JX416283）。氨基酸序列同源性比对显示 SoSuS1 蛋白是一个典型的胞质内可溶性蔗糖合成酶。组织表达特异性分析显示
SoSuS1 在茎、叶鞘和叶片中均有表达，表明该基因在多个组织器官中发挥作用 ；而 SoSuS1 在茎中的表达量最高，茎可能是其主要
作用部位。
关键词 ： Badila 蔗糖合成酶 序列分析 表达分析
Cloning and Sequence Analysis of a Chewing Cane Sucrose Synthase
Gene（SoSuS1）and Investigation of Expression Profiling
Li Heping Li Haiming Pan Shiming
（Sugarcane Research Institute, Fujian Academy of Agricultural Science, Zhangzhou 363005）
Abstract: In plants, sucrose synthase is one of key enzymes for urging the sucrose into various metabolic pathways. Two EST sequences
which were highly similar to sucrose synthetase genes were screened from GenBank, and the corresponding cDNA was cloned by the technologies
of RACE. The cloned sucrose synthase cDNA, named SoSuS1 was 2 970 bp long（GenBank accession No. JX416283）, containing the complete
coding sequence（2 448 bp）. The result indicated that SoSuS1 protein is a typical soluble synthetase in the cytoplasm by homoge-neous
comparing of its amino acids sequences. Gene expression analysis showed that SoSuS1 was expression in stem, leaf sheath and leaf, indicating
the gene plays a role in multiple tissues. The expression of SoSuS1 gene was highest in stem, and the stem was possible the main action site.
Key words: Badila Sucrose synthase Sequence analysis Expression profiling
因此该品种是甘蔗抗病育种的优良亲本之一［7］。蔗
糖是甘蔗收获的主要产品，研究甘蔗蔗糖合成酶
基因在甘蔗糖分代谢中的作用有着重要的理论意
义，同时也为将来转基因研究奠定基础。目前，在
GenBank 上登录的完整的甘蔗蔗糖合成酶基因只有 1
个，EST 序列有 14 条，通过比对拼接推测甘蔗蔗糖
合成酶基因家族可能有 5 个成员。而作为热带起源
的“高贵种质”，Badila 中的蔗糖合成酶基因克隆和
功能分析工作还未见报道，在本研究中，通过克隆
得到一个 SuS 基因的全长 cDNA 序列，利用生物信
息学软件对该基因翻译的蛋白进行保守结构域、亚
2013年第11期 59李和平等 ：甘蔗热带种 Badila 蔗糖合成酶基因的克隆及表达分析
细胞定位、系统进化等分析，并对该基因进行了组
织特异性表达分析，这将为揭示该基因在甘蔗中的
生物学功能奠定良好基础。
1 材料与方法
1.1 材料
甘蔗热带种 Badila， 种植于福建省农科院甘
蔗 所 试 验 基 地， 采 样 日 期 为 2011 年 9 月。 菌 种
Escherichia coli HB101 由福建省农科院甘蔗所分子
实验室保存。反转录 cDNA 第一链合成试剂盒购自
Fermentas 公司，Taq plus DNA polymerase 和 DNA 凝
胶回收试剂盒购自生工生物工程（上海）有限公司，
Taq DNA polymerase、DNase I 酶、pMD18-T 载 体 和
T4 DNA 连接酶购自大连宝生物公司。其它生化试剂
均为进口或国产分析纯试剂。引物合成和 DNA 测序
由生工生物工程（上海）有限公司负责。
1.2 方法
1.2.1 RNA 提取与 cDNA 合成 Badila 茎、叶鞘和叶
片总 RNA 的提取参照唐朝荣等［8］的改良方法，提
取液配方为 2% CTAB，100 mmol/L Tris-Cl，25 mmol/L
EDTA，2 mol/L NaCl，2% PVP。 利 用 DNase I 去 除
RNA 中残留的微量 DNA，cDNA 第一链的合成根据
试剂盒的操作程序进行。
1.2.2 Sus 基因的克隆 RACE 的操作步骤参考文
献［9］，PCR 扩增所使用的第一轮和第二轮基因特
异性引物序列见表 1。首先获得已报道的 EST 序列，
然后根据所得到的 SuS 基因片段通过 PCR 扩增获得
该基因的 5 端和 3 端序列，利用生物信息学软件
DNAMAN 4.0 进行序列拼接，获得该基因全长 cDNA
序列。在拼接序列的两端设计一对特异性引物（表
1），使用保真性较好的 Taq plus polymerase 进行 PCR
扩增，延伸时间为 2 min，共 35 次循环。PCR 扩增
产物回收后克隆到载体上，送生工测序。
1.2.3 生物信息学分析 用 GENETYX-WIN（version
5.0.4）和在线软件 GeneScan 预测 SoSuS1 基因编码
的氨基酸序列，使用在线 BLAST 工具对预测的氨基
酸序列进行同源比对分析，下载其它的植物 SUS 蛋
白序列 ；利用 DNAMAN4.0 软件对这些蛋白序列进
行多重比对分析，构建系统进化树 ；利用 SignalP 4.0
Server 在线工具预测分析 SoSuS1 蛋白信号肽及切割
位 点 ；利 用 SoftBerry 中 的 ProtComp（Version 9.0）、
TargetP 1.1 Server、PSORT 和 Predotar v. 1.03 等在线
分析软件对 SoSuS1 蛋白的亚细胞定位进行预测 ；利
用 ProtScale 软件预测 SuS 蛋白的亲疏水性。
2 结果
2.1 不同甘蔗组织中的总RNA的提取
本试验提取了不同甘蔗组织（茎、鞘、叶）的
总 RNA，电泳结果（图 1）显示提取的不同组织的
总 RNA 完整性良好，紫外分光光度计检测显示得到
的 RNA 纯度较高，结果表明提取的总 RNA 能够满
足后续分子生物学试验的要求。
2.2 SoSuS1基因全长cDNA克隆与序列分析
在 GenBank 数据库中搜索到甘蔗蔗糖合成酶
基 因 的 EST 序 列 14 条， 通 过 比 对 得 到 SoSUS1 同
源的 EST 序列两条（基因登录号 ：BU925842.1 和
BU925741.1），其中有一条是该基因的 5 端序列，
利用另外一条 EST 序列设计两条 3-RACE 引物，经
表 1 所使用的 PCR 引物及其相关信息
基因名
引物
PCR 退火温度（℃）
名称 序列（5-3） 用途
SoSuS1 SUS1-P1 GCTACATCTGCGACACCA 3-RACE 第一轮 55
SUS1-P2 GGGCTGACGGTGGTTGAG 3-RACE 第二轮 58
SUS1-3S CATTTGATTTGCGTTCGTTC 全长扩增
60
SUS1-3A AAAGAAGTCCACGAGCAGGG 全长扩增
SUS1-4S ACAGCCAAACCGACAACACT 表达分析
59
SUS1-4A CCCTGGTACGGGTCAATGTG 表达分析
18S rRNA 18SS AAGCAAGCCTACGCTCTGG 表达分析内参
58
18SA GCTCCACCAACTAAGAACGG 表达分析内参
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期60
过两轮 PCR 扩增后得到一条约 800 bp 的片段（图
2-A），测序结果显示此片段为 SoSuS1 基因的 3 端。
序列拼接后分析显示，该 cDNA 包含 1 个长度为 2
448 bp 的开放阅读框，其编码长度为 816 个氨基
酸、分子量约为 89.8 kD 的蛋白，将该基因命名为
Badila 蔗糖合成酶基因的 cDNA 序列。
2.3 SoSuS1蛋白生物信息学预测分析
利用在线预测软件 SignalP 4.0 预测蛋白质信号
肽剪切位点，结果显示，SoSuS1 蛋白没有信号肽剪
切位点，说明该蛋白为细胞质内的 SuS 蛋白。利用
TargetP、ProtComp、PRORT、Predotar 等 4 种 在 线
分析软件预测 SoSuS1 蛋白在亚细胞中可能存在的定
位，4 种软件综合分析结果说明 SoSuS1 蛋白亚细胞
1 2 3
28S
18S
1 ：茎 ；2 ：叶鞘 ；3 ：叶片
图 1 不同组织 RNA 的提取
1500
bp
M 1 M2
1000
500
100
1500
bp
2000
1000
500
250
A B
M ：DNA Marker ；1 ：3-RACE 的第二轮扩增产物 ；2 ：SoSuS1 基因全长 cDNA 扩增产物
图 2 SoSuS1 基因 cDNA 的 3 端序列（A）与全长序列扩增（B）
SoSuS1（Saccharum officinarum cultivar Badila Sucrose
Synthase 1），GenBank 登录号为 JX416283。在序列
两端各设计一条特异性引物，PCR 扩增后获得一条
约 2 500 bp 的条带（图 2-B），测序后通过序列拼
接和初步预测，表明已获得 1 个包含完整阅读框的
表 2 生物信息学软件预测 SoSuS1 蛋白亚细胞定位
预测结果
在线预测软件
TargetP ProtComp PRORT Predotar
最大可能 胞内蛋白 细胞质 微体（过氧化物酶体）
除了线粒体、质体、内质网的其它地方
可能 细胞质 细胞质
定位最有可能在细胞质内（表 2）。NCBI 在线软件
分析结果显示，Badila 水溶性 SuS 具有两个功能域 ：
N 端 11-559 肽段为蔗糖合成（sucrose_synth）功能区，
主要功能是催化果糖和尿苷二磷酸葡萄糖合成蔗糖；
C 端 283-767 肽段为糖基转移（glycos transf）功能区，
主要功能是行使糖基化合物（ADP、UDP、CMP 或
GDP）的转移，可将有活性的糖基转移至果糖 -6-P、
糖原、脂多糖等分子上。
ProtScale 软件预测 SoSuS1 蛋白序列的亲 / 疏水
性，依据亲水性越强分值越低和疏水性越强分值越
高的规律（参考软件 ProtScale），可以看出（图 3），
在整条肽链中亲水性氨基酸均匀分布，疏水性氨基
酸相对较少，而且普遍分值不高。因此，整条多肽
链表现为亲水性，没有明显的疏水区域，可以认为
是亲水性蛋白。
2.4 SoSuS1蛋白的系统进化分析
对 SoSuS1 蛋 白 在 NCBI 非 冗 余 蛋 白 序 列 库 中
进行 blastp 同源检索与序列比对，下载 23 个不同
植物物种的 SuS 蛋白序列，分别来自于玉米（Zea
mays，Zm）， 绿 竹（Bambusa oldhamii，Bo）， 大 麦
（Hordeum vulgare，Hv）， 水 稻（Oryza sativa，Os），
甘 蔗（Saccharum officinarum，So）， 小 麦（Triticum
aestivum，Ta）， 高 粱（Sorghum bicolor，Sb）， 小 果
野蕉（Musa acuminate，Ma），短柄草（Brachypodium
distachyon，Bd）， 铁 皮 石 斛（Dendrobium officinale，
Do），郁金香（Tulipa gesneriana，Tg），棉花（Gossypium
mustelinum，Gm）， 亚 洲 棉（Gossypium arboretum，
Ga）， 杨 树（Populus tomentosa，Pt）， 葡 萄（Vitis
vinifera，Vv） 等 物 种， 利 用 DNAMAN4.0 软 件 对
SoSuS1 与这些蛋白进行多重序列比对后构建系统进
化树，从进化图（图 4）中可以看出 24 个 SuS 蛋白
可明显地分为 3 个类群（I，Ⅱ，III）。I，Ⅱ类群均
2013年第11期 61李和平等 ：甘蔗热带种 Badila 蔗糖合成酶基因的克隆及表达分析
为单子叶植物，III 类群为双子叶植物。I 群包含的
蛋白数量最多，有 14 种，可进一步分为 I1，I2 和
I3 三个亚群，其中 I2、I3 均来自禾本科。SoSuS1 与
其它 6 个 SuS 蛋白聚为一个群（I2），与一个玉米
SuS 蛋白（Zm，AAA33515）的亲缘关系最近，彼
此氨基酸序列的一致性和同源性高达 99%，与其它
几个禾本科植物的 SuS 蛋白的同源性也较高，均达
到 97% 以上，而与已克隆的甘蔗蔗糖合成酶基因
SoSuS2（So，AAM68126）一致性只有 80%，并且这
两个基因在不同类群。总体来看，SuS 蛋白在禾本
科植物中变异较小，进化关系趋于一致。
2.5 SoSuS1基因组织特异性表达分析
不同的亚细胞定位预测软件分析表明 SoSuS1 基
因位于细胞质中。对 SoSuS1 的组织特异性 RT-PCR
表达分析（图 5）表明 SoSuS1 在茎、叶鞘、叶片均
表达，其中在茎秆中的表达量最高。说明该基因在
多个组织发挥作用，而茎可能是其主要作用部位。
图 3 ProtScale 软件对果蔗 SoSuS1 蛋白序列疏水性 / 亲水
性的预测
3
2
1
0
Sc
or
e
1
2
3
4
0 100 200 300 400 500 600 700 800
≘ส䞨ᒿࡇս㖞
Do ADY02961
Tg CAA65639
Ma AEO09338
Tg CAA65640
Hv BAK02964
Bo AAL50570
Bo AAV64256
Os EAY90371
Os P31924
Zm AAA33515
Hv CAA75793
Ta CAA03935
Ta CAA04543
Os AAC41682
Os ABL74568
Sb ACM69042
Zm ACG43170
Ga AEV40460
Gm AEN71063
Pt ADW80551
Vv CBI27755
0.05
III
II
I3
I2
I1
I
SoSuS2 AAM68126
Hv CAA46701
SoSuS1
括号内为各物种 SuS 蛋白的序列登录号；括号前为物种拉丁名简写；
下划线部分为 SoSuS1 蛋白名称
图 4 SoSuS1 蛋白及其它植物的 23 个 SuS 蛋白的系统进
化分析
1 ：茎 ；2 ：叶鞘 ；3 ：叶片
图 5 果蔗 SoSuS1 基因组织特异性表达分析
SoSuS1
1 2 3
18S rRNA
3 讨论
随着生命科学试验技术和生物信息学的飞速发
展和完善，利用功能强大的生物分析软件推导核苷
酸和氨基酸序列同源性并揭示分子的结构、功能和
进化关系，已成为现代生命科学发展的趋势［10］。利
用生物信息学分析软件从分子水平对克隆的基因
（JX416283）进行分析，预测结果表明该基因翻译
的蛋白是一个典型的胞内水溶性蔗糖合成酶。目前，
关于蔗糖合成酶的研究主要集中在生化特性、细胞
定位、基因表达及调控等 ；但关于该酶的一些问题
尚未完全解决，如对非生物胁迫的响应机制，在甘
蔗等高蔗糖分物种中的功能等。因此，深入研究
SuS 对揭示甘蔗中蔗糖合成的分子机制有重要意义，
而利用 SUS 基因改良甘蔗品质也是今后需要关注的
方面。
4 结论
利用 RACE 技术获得 1 个长度为 2 970 bp，包
含 完 整 编 码 框（2448 bp） 的 cDNA， 氨 基 酸 序 列
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第11期62
与多个禾本科植物的 SUS 蛋白的同源性较高，达
到 97% 以上，而与已克隆的甘蔗蔗糖合成酶基因
SoSuS2（So，AAM68126） 一 致 性 只 有 80%。 该 新
基因命名为 SoSuS1（GenBank 登录号 ：JX416283）。
SoSuS1 蛋白是一个典型的胞质内可溶性蔗糖合成
酶 ；SoSuS1 基因在茎、叶鞘和叶片中均有表达，在
茎中的表达量最高，茎可能是其主要作用部位。
参 考 文 献
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（责任编辑 李楠）