粳稻糖基轉移酶Ⅰ基因家族全基因組鑒定及功能分析

周鎮中，羅 彪，駱 鷹，夏 敏，汪啟明，饒力群

(湖南農業大學 生物科學技術學院，道地藥用植物規范化栽培與綜合利用湖南省工程實驗室，湖南 長沙 410128)

水稻(OryzasativaL.)作為重要糧食作物，穩產是世界糧食安全和社會經濟穩定的關鍵因素。全球氣候變暖，高溫導致水稻花粉育性降低、退穎、籽粒品質降低等，高溫成為影響水稻生長和產量的主要限制因素[1-3]。水稻中UDP-葡萄糖基轉移酶(GSA1)可通過催化單糖和黃酮類化合物的糖基轉移，改變黃酮類糖基的組成和苯丙素的代謝途徑，來調節和適應高溫脅迫[4]。糖基的轉移在糖基轉移酶催化完成，從反應數量上講，糖基的轉移是植物體內最多的一類生化反應[5]。非生物脅迫會導致植物產生大量的活性氧(ROS)，過量的活性氧導致生物大分子過度氧化而造成生理生化損傷[6]。植物在應對ROS的機制中除了常見的抗氧化酶類，還有許多抗氧化劑。如谷胱甘肽(GSH)、黃酮類化合物和類胡蘿卜素等[7]。黃酮類化合物是植物中最具活性的代謝物之一。在黃酮類化合物參與清除ROS的反應中都有UDP-糖基轉移酶參與催化，生成具有抗氧化活性的各種衍生物[8]。如花青素3-O-半乳糖基轉移酶、花青素3-O-葡萄糖基的轉移酶和UDP-葡萄糖醛糖基轉移酶的功能主要是涉及黃酮類化合物糖基的轉移[9-10]。研究表明，通過黃酮類次生代謝物的產生能有效提升植物對逆境的抗性[11]，糖基轉移酶參與非生物脅迫和生物脅迫應激產物的糖基化反應[12]。在擬南芥中過表達糖基轉移酶AtDGD1提高了擬南芥對高溫的耐受性，且擬南芥中AtDGD1的沉默導致擬南芥耐高溫能力下降[13-14]。因此，糖基轉移酶在植物應對非生物脅迫時起到了重要作用。

隨著全基因組測序和生物信息學的發展，在水稻中鑒定出769個轉錄本是糖基轉移酶，可細分為41個家族[15]。水稻中作為脂質、蔗糖等合成酶類的糖基轉移酶Ⅰ(GT Ⅰ)基因家族全基因組鑒定及功能分析尚未有研究報道。

本研究通過生物信息學分析在粳稻中鑒定出30個GT Ⅰ基因家族成員。通過進化關系、基因結構、保守結構域、高溫脅迫轉錄組數據挖掘等分析，了解了粳稻GT Ⅰ基因家族成員的結構特征和響應高溫的表達情況，最后對GT Ⅰ 基因家族成員的蛋白質三級結構進行建模，旨在為了解粳稻GT Ⅰ家族成員的功能研究奠定基礎，為進一步了解粳稻中GT Ⅰ基因家族成員在水稻抗高溫方面的研究提供方向，以及在水稻生產中對高溫的耐受性具有重要的意義。

1 材料和方法

1.1 GT Ⅰ基因家族的全基因組鑒定

EnsemblPlants(http：//plants.ensembl.org/index.html)下載粳稻(OryzasativaJaponica)、秈稻(OryzasativaIndica)、高粱(Sorghumbicolor)、雷蒙德氏棉(Gossypiumraimondii)和擬南芥(Arabidopsisthaliana)全基因組序列、CDS 序列、蛋白質序列以及全基因組注釋文件。Pfam 數據庫(http：//pfam.xfam.org)下載 GT Ⅰ 基因家族(PF 00534)保守結構域(HMM)配置文件。HMMER 3.0 和 BlastP 檢索本地數據庫水稻及其他物種的基因組中GT Ⅰ 基因家族候選成員。候選成員的蛋白質序列放入NCBI-CDD(Https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/cdd/)、EMBL-EBI(http：//pfam.xfam.org/search#tabview=tab1)和SMART(http://smart.embl.de/smart/set_mode.cgi?GENOMIC=1)確認GTⅠ基因家族成員保守結構域，確定GTⅠ基因家族成員[16]。ExPASy(Http：//web.expasy.org/protparam/)對家族成員進行理化性質分析[17]，CELLO v2.5(http://cello.life.nctu.edu.tw/)在線分析家族成員亞細胞定位。

1.2 粳稻GT Ⅰ基因家族成員系統發育關系、基因結構及保守結構域分析

各物種GT Ⅰ 基因家族成員蛋白序列在 MEGA 7.0 軟件進行遺傳進化分析，用NJ法構建進化樹(自檢值為1 000)[17]。根據基因組注釋文件將粳稻GT Ⅰ 基因家族成員進行外顯子-內含子結構可視化[18]。GT Ⅰ 基因家族成員蛋白序列放入在線網站MEME(http：//meme.sdsc.edu/meme/)進行保守結構域分析[19]。

1.3 GT Ⅰ基因家族成員染色體定位、啟動子分析和miRNA-GT Ⅰ基因家族成員預測

水稻基因組注釋文件獲得GT Ⅰ基因家族成員的位置及結構信息。MapChart 2.2 軟件可視化水稻GT Ⅰ 基因家族成員的位置信息。GT Ⅰ 基因家族成員的啟動子序列(基因起始轉錄位點開始選取上游1 500 bp的序列)在PlantCARE(http://bioinformatics.psb.ugent.be/ webtools/plantcare/html/)進行分析，軟件TBtools 啟動子分析結果可視化。預測miRNA在GT Ⅰ 基因家族成員潛在的靶位點，GTⅠ基因家族成員cDNA在psRNATarget(http：//plantgrn.noble.org/psRNATarget/)預測miRNA前體[20]，軟件Cytoscape可視化[21]。

1.4 粳稻GT Ⅰ基因家族成員組織表達分析和高溫脅迫處理以及轉錄組測序分析

RiceXPro網站(https：//ricexpro.dna.affrc.go.jp/)下載GTⅠ家族成員組織表達公共RNA-Seq樣本[22]，TBtools數據可視化[23]。粳稻GTⅠ基因家族成員響應非生物脅迫表達情況，日本晴幼苗在28 ℃人工物候箱中生長，光照14 h，黑暗10 h。14 d后選取長勢一致的幼苗進行高溫處理。在45 ℃人工物候箱進行高溫孵育。處理取樣時間為0，1，3，6，12，24，48 h，采集莖和葉組織轉錄組測序。RNA-Seq數據訪問號為SRP190858[24]。TBtools軟件數據可視化。

1.5 GT Ⅰ基因家族成員高溫表達的實時熒光定量驗證

用上述非生物脅迫處理方法對日本晴處理，處理取樣時間為0，3，6，12，24，36 h。TRIzol試劑按說明提取總 RNA，反轉錄試劑盒將 2 μg 總 RNA 逆轉錄為 cDNA，稀釋備用。SYBR 預混Ex Taq在BIO-RAD品牌的CFX Connect進行 Real-time PCR。體系 20 μL，10 μL SYBR Green PCR mix，上下游引物 各0.5 μL，2 μL cDNA，7 μL ddH2O。qRT-PCR 的反應程序：94 ℃ 30 s；循環階段：94 ℃ 5 s，55 ℃ 15 s，72 ℃ 10 s，45個循環；溶解曲線階段：94 ℃ 15 s，60 ℃ 15 s，95 ℃ 15 s，4 ℃保存。以Actin作為內參，采用 2-ΔΔCt法計算GT Ⅰ家族基因的相對表達量[25]，每個時期，每個基因的表達反應有 3 個生物重復和 3 個技術重復。基因引物見表1。

表1 實時熒光定量引物Tab.1 Real-time fluorescence quantitative primers

1.6 粳稻GT Ⅰ基因家族蛋白質三維結構同源建模

蛋白質的三維結構對了解其功能具有重要意義，將GTⅠ基因家族成員蛋白質進行蛋白質建模分析[26]，使用網站SWISS-MODEL(https://swissmodel.expasy.org/interactive/)同源建模[27-28]，其中模板建模評分(TM-score)的值均大于0.5，說明三維建模可信[29]。PROCHECK(https：//www.rcsb.org/alignment)檢驗三維結構的可靠性[30]，其三維結構均方根差(RMSD)小于1，說明結果可靠[31]。三維建模在軟件VMD可視化[32]。

2 結果與分析

2.1 粳稻GT Ⅰ基因家族成員及其染色體分布

粳稻全基因組鑒定出30個GT Ⅰ家族成員(表2)，由水稻GT Ⅰ基因家族成員蛋白質理化分析結果可知30個GTⅠ基因家族成員的氨基酸組成存在一定的差異，其蛋白質長度為256～1 066 aa，蛋白質的分子質量為29.06～118.72 ku，預測的等電點(pI)變化為5.14～9.91。

表2 粳稻GT Ⅰ基因家族編碼蛋白質理化性質及其亞細胞定位Tab.2 Physicochemical properties and subcellular localization of proteins encoded by the GT Ⅰ gene family in japonica rice

表2(續)

由亞細胞定位預測可知，GT Ⅰ基因家族成員的蛋白質主要在胞質和葉綠體，部分成員定位在質膜和線粒體。由基因染色體定位得知，GT Ⅰ基因家族成員在水稻全基因組12條染色體上均有分布(圖1)，30個家族成員中，在3號染色體分布有5個，在1，6，7號染色體各有4個，在2，4號染色體均有3個，在11號染色體有2個。在5，8，9，10，12號染色體均只存在1個家族成員。

圖中編號代表染色體編號；綠色長條長度根據基因組染色體長度顯示；染色體上左邊數字是基因在染色體上的位置，右邊的數字是成員名稱。The numbers in the diagram represent chromosome numbers and the length of the long green bar is shown based on the length of the genomic chromosome;the number on the left of the chromosome is the position of the gene on the chromosome，and the number on the right is the member name.

2.2 粳稻、秈稻及其他物種的GT Ⅰ基因家族成員的系統進化關系

為得知水稻GT Ⅰ基因家族與其他物種的GT Ⅰ基因家族的系統發育關系和進化模式，粳稻30個GT Ⅰ基因家族成員、秈稻21個GT Ⅰ基因家族成員、高粱7個GT Ⅰ 基因家族成員、雷蒙德氏棉12個GT Ⅰ基因家族成員和擬南芥15個GT Ⅰ基因家族成員構建進化樹(圖2)。根據遺傳距離將所有GT Ⅰ家族成員分為3個亞家族，其中，亞家族Ⅰ包含了10個基因(4個粳稻GT Ⅰ成員、2個秈稻GT Ⅰ成員、1個高粱GT Ⅰ成員和3個擬南芥GT Ⅰ成員)，亞家族Ⅱ包含了32個基因(16個粳稻GT Ⅰ成員、13個秈稻GT Ⅰ成員、3個擬南芥GT Ⅰ成員)，亞家族Ⅲ包含了43個基因(10個粳稻GT Ⅰ成員、6個秈稻GT Ⅰ成員、6個高粱GT Ⅰ成員、9個擬南芥GT Ⅰ成員和12個雷蒙德氏棉GT Ⅰ成員)。這3個亞家族中都有擬南芥的GT Ⅰ家族成員。雷蒙德氏棉GT Ⅰ家族成員只存在第Ⅲ亞家族中。粳稻30個GT Ⅰ家族成員和秈稻21個GT Ⅰ家族成員主要分部在第Ⅰ亞家族和第Ⅱ亞家族中，與其他物種相比，它們具有更近的親緣關系。

★.粳稻； ●.秈稻；■.高粱；▲.擬南芥；√.雷蒙德氏棉。進化樹分支的顏色代表不同的亞家族(紅色代表亞家族Ⅰ、綠色代表亞家族Ⅱ和藍色代表亞家族 Ⅲ)。★.Japonica rice；●.Indica rice；■.Sorghum bicolor；▲.Arabidopsis thaliana；√.Gossypium raimondii. The colors of the evolutionary tree branches represent the different subfamilies(red for subfamily I，green for subfamily Ⅱ and blue for subfamily Ⅲ).

根據序列的相似性和系統發育分析，在粳稻中獲得了GT Ⅰ基因的同源對。粳稻中總共發現了6對同源組，5個同源基因。利用ClustalW分析計算粳稻GT Ⅰ基因家族的同源基因Ka/Ks值，探究基因進化選擇壓力(表3)。基因OS-GT28和OS-GT29與OS-GT30、OS-GT24和OS-GT25存在著基因進化選擇壓力。OS-GT29和OS-GT30的Ka/Ks值為0.919(Ka/Ks<1)，說明它們之間存在著基因受純化選擇。OS-GT29和OS-GT24的Ka/Ks值為1.088(Ka/Ks>1)，OS-GT29和OS-GT25的Ka/Ks值為1.087(Ka/Ks>1)，說明OS-GT29與它們之間存在基因受正向選擇。另外OS-GT-28和OS-GT30的Ka/Ks值為0.937(Ka/Ks<1)，說明它們之間存在著基因受純化選擇。OS-GT28和OS-GT24的Ka/Ks值為1.075(Ka/Ks>1)，OS-GT28和OS-GT25的Ka/Ks值為1.078(Ka/Ks>1)，說明OS-GT-28與它們之間存在基因受正向選擇。

2.3 粳稻GT Ⅰ基因家族成員結構與保守序列特征

外顯子-內含子結構是基因進化的重要特征，也是基因功能多樣化的重要因素。進一步分析GT Ⅰ 基因家族成員的外顯子-內含子結構和保守結構域(圖3)。GT Ⅰ基因家族成員經過聚類分析，把具有保守基序的成員聚類到一塊。圖3-A顯示， GT Ⅰ基因家族成員通過遺傳距離分析可以把30個基因家族成員分成六大類。圖3-B顯示，GT Ⅰ 基因家族成員通過MEME軟件分析出保守基序得到了10個Motif，所有基因家族成員都含有Motif 2這個保守的基序。聚類分析中，第Ⅰ類家族成員OS-GT24、OS-GT25、OS-GT26、OS-GT27、OS-GT28、OS-GT29和OS-GT30含有的Motif是相對保守的，含有7類Motif；家族的保守結構域建樹，通過保守基序分析得到10個Motif，不同顏色代表不同的Motif類別。圖3-C藍色代表UTR，黃色代表CDS；間隔區代表內含子。每個GT Ⅰ 家族成員的CDS、UTR和內含子的分布都按基因上的比例分布。

表3 粳稻中GT Ⅰ基因家族同源基因進化壓力選擇Tab.3 Evolutionary pressure selection of GT Ⅰgene family homologous genes in japonica rice

Conservative structural domain building tree of the family，10 Motifs were obtained by conserved motif analysis，different colors represent different Motif categories.In Fig.3-C blue represents UTR，yellow represents CDS；spacer region represents intron.The distribution of CDSs，UTRs and introns of each GT I family member is scaled genetically.

第 Ⅱ 類家族成員中OS-GT21和OS-GT23均含有Motif 2和Motif 1；第Ⅲ和Ⅳ類家族成員中大多只含有Motif 2；第Ⅴ和Ⅵ 類家族成員中大多數含有3個Motif。圖3-C顯示，除OS-GT04和OS-GT13沒有內含子結構外，其余基因家族成員都含有較多的內含子，基因結構較為復雜。

2.4 粳稻GT Ⅰ家族基因啟動子和相關miRNA預測

進一步闡明粳稻GT Ⅰ家族基因在非生物脅迫中可能存在的調控機制，對啟動子中序列進行了分析，結果共獲得38類順式作用元件(圖4)，其中TATA-box、CAT-box等核心啟動子元件在30個GT Ⅰ 家族成員中均有發現。這些啟動子區域發現了大量與激素相關的作用元件，30個GT Ⅰ 家族成員都預測到脫落酸響應元件(ABRE)，在7個家族成員中預測到赤霉素響應元件(CARE)，在18個家族成員中預測到水楊酸響應元件(TCA)，在10個家族成員中預測到茉莉酸甲酯響應敏感基序(CGTCA和TGACG)。30個家族成員中沒有出現4種激素都響應的成員，但30個家族成員均預測出響應光的作用元件，如ACE、G-box、I-box等。也有部分成員預測出參與低溫反應的順式作用元件(LTR)和MYB結合位點參與干旱反應的順式作用元件(MBS)。30個家族成員中有少數幾個成員沒有直接參與植物苯丙烷類次生代謝途徑調節的MYB轉錄因子結合位點。

圖4 GT Ⅰ基因家族成員啟動子順式作用元件Fig.4 Cis-acting elements of promoters of GT Ⅰ gene family members

靶向GT Ⅰ 家族成員miRNA預測(圖5)。miRNA可以通過剪切或者抑制翻譯來調控靶基因的表達，依據其與靶基因序列的互補程度，miRNA靶基因的數目可能是一個或者多個，有些靶基因受到多個miRNA的調控。在數據庫中獲得了49個不同類型的相關miRNA，靶向29個GT Ⅰ 基因家族成員，只有OS-GT04沒有匹配到對應的miRNA，說明OS-GT04從某種程度可以說不會被miRNA通過剪切或者抑制翻譯。osa-miR1857-5p這個miRNA靶向OS-GT26、OS-GT19和OS-GT10，說明這3個家族成員可以被其調控。osa-miR1858a的靶標是OS-GT13和OS-GT22。osa-miR5075、osa-miR1853-3p、osa-miR5809、osa-miR444a-3p.1和osa-miR810b.1也對應2個家族成員，預測出的miRNA是大多數靶向1個GT Ⅰ 基因家族成員，靶向GT Ⅰ 基因家族成員的miRNA預測網絡見圖5。miR1857是參與果實成熟和非生物逆境調控的miRNA，其對應的靶基因主要是花青素合成和非生物逆境應答等。這說明miRNA與GT Ⅰ 基因家族成員之間的調控網絡可能為它們的功能提供了重要的線索，同時也有利于選擇候選基因進行未來的研究。

2.5 GT Ⅰ 基因家族成員組織特異性表達和高溫脅迫響應

利用網絡公共數據對GT Ⅰ 基因家族成員在不同組織部位表達進行了分析(圖6)，結果顯示，GT Ⅰ 基因家族成員在組織中表達具有較強的組織特異性，其中OS-GT21、OS-GT06、OS-GT18、OS-GT29、OS-GT03、OS-GT24、OS-GT11、OS-GT15和OS-GT25在莖部位高表達，在葉片、葉鞘和根的表達表現為低表達；OS-GT17和OS-GT02在葉片中呈現高表達，OS-GT07、OS-GT30、OS-GT28和OS-GT26在葉片中呈現低表達；在葉鞘中，OS-GT27、OS-GT16和OS-GT01呈現高表達，在根中低表達的成員有OS-GT08、OS-GT05和OS-GT09。

通過日本晴高溫脅迫下轉錄組數據分析，GT Ⅰ 家族成員的表達模式如圖7所示，大部分家族成員在高溫脅迫第3小時開始響應高溫脅迫，在高溫處理6 h開始表達量變化明顯。OS-GT14、OS-GT09和OS-GT22高溫脅迫開始前3 h表達量高，隨著脅迫時間延長，表達量下降。這3個成員高溫脅迫呈負調控。OS-GT24高溫脅迫第6小時開始表達。OS-GT07和OS-GT28高溫脅迫沒有發生表達量變化，這2個成員不響應高溫脅迫。

◆.GT Ⅰ 家族成員；●.miRNA。◆.GT Ⅰ family members；●.miRNA.

縱坐標是GT Ⅰ 家族成員。紅色表示高表達、藍色表示低表達。Vertical coordinates are GT Ⅰ family members.Red indicates high expression，blue indicates low expression.

橫坐標代表高溫脅迫時間節點，分別代表0，1，3，6，12，24，36，48 h；縱坐標是GT Ⅰ家族成員。紅色表示表達上調，藍色表示表達下調。

2.6 粳稻GT Ⅰ基因家族成員高溫脅迫表達分析

經高溫處理后的材料中10個GT Ⅰ 基因家族成員的差異表達如圖8所示，GT Ⅰ 基因家族成員的表達量隨著高溫處理時間的變化而改變。高溫處理3 hOS-GT09的表達量達到最高，隨后其表達量隨著處理時間的延長逐漸降低；高溫處理0～6 hOS-GT01和OS-GT03基因的表達量不斷升高，發現6 h表達量達到最高；處理6 h后隨著處理時間的增加迅速減少。高溫處理3 hOS-GT19的表達量無明顯升高，在處理6 h開始表達量迅速上升，在處理24 h達到最高。高溫處理前6 hOS-GT29的表達量變化不大，隨著時間的延長表達量開始上升。OS-GT07和OS-GT11的表達量沒有因為高溫處理出現表達量明顯變化。有趣的是OS-GT16的表達量從高溫處理開始便開始逐步上升，處理12 h后趨于穩定。OS-GT14和OS-GT22隨著高溫處理時間的延長，其相對表達量下降，其中OS-GT22在高溫處理第3小時開始，其表達被抑制。

圖8 GT Ⅰ基因家族成員在高溫處理的表達水平Fig.8 Expression levels of GT Ⅰ gene family members under high temperature treatment

2.7 粳稻GT Ⅰ 基因家族成員蛋白保守性分析

結構決定功能，GT Ⅰ基因家族成員進行三維結構預測和同源建模(圖9)。從圖9可以看出，GT Ⅰ基因家族成員蛋白質具有一個保守的序列，相似的三維結構。保守結構的中心是6個β-折疊，其周圍分別由7個α-螺旋環繞。OS-GT24、OS-GT25、OS-GT26、OS-GT27、OS-GT28、OS-GT29和OS-GT30的蛋白質作為蔗糖合成酶類，它們的三維結構高度保守。其中OS-GT10、OS-GT11和OS-GT12建模之后的評估值反映出建模是成功的，結合三維結構建模來看，它們之間的結構是相當保守且含有保守蛋白結構。GT Ⅰ基因家族成員在進行三維結構預測時，參與建模的GT Ⅰ 基因家族成員與對應的同源模板重疊后參數見表4，其三維結構的均方根差(RMSD)小于1，說明GT Ⅰ建模結果可靠。其中模板建模評分(TM-score)的值均大于0.5，說明GT Ⅰ 基因家族成員的三維建模是可信的。OS-GT11和OS-GT12的TM-score值為1，說明蛋白與模型完美匹配。這些蛋白質的三維結構模型為它們的生物學功能奠定了基礎。

圖9 GT Ⅰ家族成員蛋白三維結構Fig.9 Three-dimensional structure of GT Ⅰ family members proteins

表4 粳稻GT Ⅰ 基因家族建模預測比對參數Tab.4 Predicted alignment parameters by modeling the GT Ⅰ gene family in japonica rice

3 結論與討論

糖基轉移酶作為生物體內催化糖基化關鍵酶，在植物體的能量轉移、物質轉化，以及非生物脅迫響應等方面發揮了重要作用[43]。鑒定出粳稻GT Ⅰ 基因家族的成員在生長發育中起到了重要作用。OS-GT18在編碼的硫代異鼠李糖基轉移酶參與類黃酮代謝的糖基化反應且影響水稻分蘗和結實。OS-GT26、OS-GT27、OS-GT28、OS-GT29和OS-GT30編碼的酶參與纖維素的合成，在水稻伸長組織中起重要作用，如根的伸長、葉和節間的發育等。且這些成員在逆境脅迫中起作用，在脅迫中表達量上升。另外OS-GT27和OS-GT28水稻灌漿過程中在穎果里強勢表達，這2個成員在灌漿時起重要作用。與水稻產量提升相關的GT Ⅰ 基因家族成員是OS-GT19，功能涉及水稻光系統Ⅱ、株高和分蘗等，在一定程度上影響了過氧化物積累，在葉片衰老過程中響應光照的調控。GT Ⅰ基因家族成員大部分發揮的功能是UDP-糖基的轉移和糖原的磷酸化，為各種代謝途徑提供UDP-葡萄糖和果糖。OS-GT10是控制直鏈淀粉合成的主要基因，直接影響花粉和水稻種子胚乳的淀粉含量。由以上家族成員功能可知，GT Ⅰ基因家族在水稻發育和抗逆上有重要作用。在今后面對全球變暖所帶來的挑戰，GT Ⅰ基因家族其他成員在今后水稻改良農藝性狀和提高水稻抗逆性方面成為可能。

GT Ⅰ基因家族成員在水稻12條染色體上均有分布，其蛋白產物長度雖然相差較大，但家族成員蛋白質的定位主要在葉綠體、線粒體和胞質，而這些部位為能量轉化以及物質運輸的主要場所，由此推測，GT Ⅰ基因家族在能量物質轉化中起到了作用。如在擬南芥中有與OS-GT14同源的β-二半乳糖二酰基甘油合酶的缺失導致葉綠體膜脂成分改變，和光合復合體不穩定導致光合作用減弱[44]。在GT Ⅰ 基因家族遺傳距離分析中，水稻GT Ⅰ 基因家族中存在5個同源基因，它們在進化過程中均發生點突變，OS-GT28、OS-GT29和OS-GT30基本上還是保持穩定的進化。因此，它們之間的功能也是相似的，均屬于水稻蔗糖合成酶。同時這幾個家族成員的基因結構和保守結構域也極為相似，有趣的是整個家族中保守基序都比較少(除去隸屬于水稻蔗糖合成酶類的成員)。不同物種的GT Ⅰ 基因家族成員系統進化關系把它們分為3個亞家族。亞家族 Ⅰ 中，AT-GT01、AT-GT02和AT-GT03屬于UDP-甘油轉移酶基因，這3個基因在擬南芥生長發育過程中淀粉代謝、花粉發育和抗逆上發揮了作用[45-46]。第 Ⅰ 亞家族中粳稻GT Ⅰ 基因家族成員OS-GT01、OS-GT02、OS-GT03與擬南芥GT Ⅰ 基因家族成員的遺傳距離最近，且OS-GT01、OS-GT02、OS-GT03也是屬于UDP-葡萄糖基轉移酶。相關研究也表明，OS-GT03 在水稻花粉內壁的形成和花粉成熟上發揮了作用[45-46]。在第 Ⅲ 亞家族中，AT-GT11和OS-GT26的遺傳關系很近，且均屬于蔗糖合成酶類，在植物體中都起到了纖維素合成的作用[47]。由此可以推測，GT Ⅰ 基因家族在各個植物中存在一定的保守性，這為植物GT Ⅰ 基因家族成員的功能研究提供了方向。

經過啟動子分析得知，家族成員均響應調節植物生長發育和響應脅迫脫落酸(ABA)[48]，這進一步表明，GT Ⅰ 基因家族成員在水稻生長發育和抵抗脅迫方面起到了重要作用。本研究通過水稻不同組織表達分析得知，GT Ⅰ 基因家族在水稻的各個部位的表達具有特異性。OS-GT27、OS-GT16和OS-GT01在葉鞘中呈現高表達，在擬南芥中與OS-GT01同源的基因LEW3的功能體現在缺失這一基因導致植株的育性降低、纖維素的合成受損、另外次生細胞壁出現缺陷，木質部塌陷[49]。根據OS-GT27蔗糖合成酶參與纖維素的合成推測，OS-GT01、OS-GT16和OS-GT27在水稻拔節期提高表達讓水稻在生長過程中滿足纖維素的合成，維持次生細胞壁的穩定。在高溫處理中，OS-GT14和OS-GT22在高溫脅迫下呈現負調控，其表達量是隨著高溫處理的時間下降，說明這2個成員的表達是受高溫抑制的。與OS-GT14同源的擬南芥AtDGD1基因主要參與葉綠體內囊體薄膜成分合成，過表達AtDGD1基因提升擬南芥耐高溫能力[50-51]。OS-GT26、OS-GT29在高溫脅迫處理第6小時開始高表達，這2個成員作為蔗糖合成酶確實在抵抗逆境脅迫上起作用。通過對日本晴GT Ⅰ基因家族成員在高溫脅迫下的表達模式探究，發現GT Ⅰ基因家族的成員中OS-GT07和OS-GT11不響應高溫脅迫。OS-GT29和OS-GT22作為蔗糖合成酶基因在高溫處理6 h后持續高表達，OS-GT14隨著處理時間的延長表達量下降。可知GT Ⅰ基因家族的大部分成員在水稻應對高溫脅迫的分子機制中發揮了作用，一定程度上為GT Ⅰ基因家族成員在水稻耐高溫機制研究上提供了方向。

本研究通過GT Ⅰ基因家族成員蛋白質建模可知，家族成員的蛋白質結構是保守的，與系統發育、保守基序和基因結構的分析結果較一致。結構決定功能，這30個家族成員中蔗糖合成酶的蛋白質結構高度相似，其建模的評分反映著蛋白與模型之間完美重合，說明這種建模的方法是可行的。通過已知蛋白的結構來匹配筆者研究的蛋白，為更好地研究GT Ⅰ 基因家族成員的生物學功能提供了重要線索。