镁是植物不可或缺的营养元素。镁是地壳中第八丰富的矿物元素，占地壳的2%。一般而言，植物生长最佳条件下的镁含量是每千克干物质中含镁约1.5-3.5克，这些将参与植物生长及发育过程中众多的生理及生化反应。镁对于植物光合作用非常重要，光合途径中碳固定过程中酶需要镁来激活；镁还可以通过调节蔗糖韧皮部的负载，从而在碳水化合物从源到库的分配中发挥重要作用；细胞能量代谢也是需要充足的镁，因为ATP的合成与水解都是高度依赖于Mg-ATP以及Mg-ADP复合体；此外，植物细胞中有相当比例的镁被用作核糖体聚集的桥接元件，在蛋白质的合成过程中起着至关重要的作用。

缺镁是甘蔗主产区亟待解决的问题。镁离子在所有阳离子中体积最小，但其水合半径却是目前所有阳离子中最大的。与其他二价阳离子相比，土壤的镁离子交换量更弱，若加上雨水冲刷，土壤中的镁离子则会容易流失。此外，在低PH值下的土壤中，其可交换的镁离子浓度可能会增加，但因植物根际处氢离子的优势会阻碍植物对镁离子的吸收，常会导致植物出现缺镁胁迫的情况。热带地区的土壤有约三分之一为酸性，且年降雨量很高，因此热带地区是镁缺乏最严重的地区，而该区域恰好是甘蔗主产区。我国南方是重要的甘蔗产地，其土壤常多呈酸性，再加之雨水多，使得土壤缺镁严重。

甘蔗镁素营养缺乏症状。甘蔗缺镁直观表现为叶片呈锈斑状，主根变少，须根增加，植株矮小的表型。生理表现上，呈现出净光合效率、蒸腾速率急剧降低，叶绿素含量显著下降，叶片淀粉含量以及根系木质素含量显著升高。

植物摄取与转运镁素机制研究。已有研究报道指出，植物主要通过质流与扩散方式从外界吸收镁离子，为了维持各组织中镁离子的平衡，植物体内拥有一系列镁离子转运体系来参与镁离子的摄取、存储与运输。目前已知镁离子转运体有6大家族，其中CorA家族是最重要的一个家族。

蔗镁离子转运子（Magnesium transporter, MGT）家族鉴定。本课题组通过比较基因组学，从甘蔗割手密种中鉴定出10个MGT，且基于序列比对以及亚细胞定位预测结果，推测MGT在甘蔗中主要功能是维持叶绿体的镁离子平衡。

16个代表性物种MGT系统演化树及基因结构注释。通过包括甘蔗、拟南芥、水稻以及莱茵衣藻等在内的16个物种的MGT进行系统发育演化分析，并对每个成员基因结构进行分析。结果表明，MGT基因家族至少包含被子植物起源之前五个共同祖先，并且发现SsMGT1/SsMGT2起源于最近的ρWGD事件，SsMGT7/SsMGT8可能起源于最近的σWGD。且基因结构分析表明，双子叶植物MGTs家族在演化过程中可能伴有内含子丢失和假外显子化的现象。

甘蔗原始种间MGTs表达分析。表达谱分析为评估基因在植物中潜在的功能提供了参考，在甘蔗不同样本MGT表达谱分析中，我们发现所有MGT中高表达基因为MGT3、MGT5、MGT6、MGT9、MGT10，并且MGT3与MGT10在高贵种以及割手密种表达水平存在明显差异。植物光合装置是受到昼夜节律调控的，在本研究中，我们发现MGT6与MGT9和10的表达量趋势相反，这说明这三个基因在割手密叶片不同时间点的镁离子平衡中可能存在功能分工。

MGT10功能互补验证与亚细胞定位。随后，我们通过利用沙门氏突变株MM281对SsMGT10进行功能互补实验，并对SsMGT10进行烟草亚细胞定位实验，从所得结果可以推测SsMGT10很有可能是在叶绿体中扮演镁离子转运的功能。

综上所述，在甘蔗所有MGT中，高表达基因为MGT3、MGT5、MGT6、MGT9与MGT10,其中MGT6与MGT9/MGT10在割手密叶片中可能存在昼夜功能分工。MGT3与MGT10在两个甘蔗中的表达差异，说明在高贵种与割手密分化后，MGT基因也发生了功能分化。

甘蔗缺镁胁迫转录组动力学研究。为进一步探究甘蔗响应缺镁胁迫的分子调控机制，我们对三个甘蔗原始种进行了不同镁浓度处理，并对处理样本进行转录组测序。近日，于International Journal of Molecular Sciences在线发表了“Transcriptome Dynamics Underlying Magnesium Deficiency Stress in Three Founding Saccharum Species”的研究论文。本研究探究了缺镁胁迫对三个甘蔗原始种叶片以及根系生理表型的影响。并利用比较转录组学手段探究了三个甘蔗原始种响应缺镁胁迫的分子机理，该研究为耐低镁甘蔗品种选育奠定了基础。现代甘蔗栽培种（Saccharum spp.）主要血缘来源于低糖高抗逆的割手密种（Saccharum spontaneum）以及由大茎野生种（Saccharum robustum）驯化而来的高糖抵抗逆的高贵种（Saccharum officinarum）。缺镁（MGD）在甘蔗主产区热带以及亚热带地区尤为突出，但目前为止，对甘蔗响应缺镁胁迫分子机制尚未被揭示。通过对三个甘蔗原始种在不同镁浓度处理下各项生理指标以及全局转录组进行分析，本研究发现缺镁胁迫显著降低三个甘蔗原始种叶片叶绿素含量、净光合效率，但增加了大茎野生种以及割手密种叶片淀粉含量以及根系中木质素含量。

缺镁胁迫响应差异基因鉴定与功能分析。通过比较转录组学分析，本研究分别从高贵种、大茎野生种以及割手密种中鉴定出12,129，11,306和12,178差异表达基因。功能富集分析以及共表达调控网络分析结果表明，高贵种主要通过调控木聚糖生物合成过程相关基因的表达从而对缺镁胁迫信号进行传导与响应；大茎野生种则主要通过调控转录以及解毒通路相关基因从而响应缺镁胁迫；割手密种则主要通过调节信号传导通路相关基因，以及由生长发育到生殖发育的转化来避免缺镁对植株造成的损伤。

福建农林大学基因组与生物技术研究中心王勇军博士为第一作者，福建农林大学海峡联合研究院基因组中心张积森教授和广西大学张木清教授为共同通讯作者。福建农林大学海峡联合研究院基因组中心研究生李艺寒与张哲，广西大学博士后华秀婷，广西大学副教授姚伟也参与了该研究。本研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金、广东省科技基金、广西科技重大专项、广西大学甘蔗专项科研项目以及福建省教育厅的资助。