SWEET轉(zhuǎn)運蛋白在作物中的功能研究及前景展望

李艷嬌 李文才 孫琦 趙勐 李文蘭 于彥麗 孟昭東

摘要：SWEET是近年來新發(fā)現(xiàn)的一類糖轉(zhuǎn)運蛋白，在植物中參與光合產(chǎn)物的運輸和分配，從而調(diào)控植物響應(yīng)逆境脅迫、抵抗病原菌侵染以及種子形成和發(fā)育等生理過程。本研究綜述了作物中SWEET基因家族功能的最新進展，初步歸納了水稻、玉米、大豆和高粱等作物的SWEET蛋白在糖分轉(zhuǎn)運和分配過程中的功能，有助于解析SWEET蛋白家族提高作物產(chǎn)量的機理。

關(guān)鍵詞：糖轉(zhuǎn)運蛋白;SWEET;作物;功能

中圖分類號：S188??文獻(xiàn)標(biāo)識號：A??文章編號：1001-4942（2019）06-0154-06

Abstract?SWEET is a new sugar transporter founded in recent years. It plays an important role in transport and distribution of photosynthetic productions， so as to regulate the response to stress， resistance to pathogen infection， seed formation and development. In this paper， we introduced the latest research progress of SWEET gene family in crops， and simply summerized the functions during transfer and distribution of SWEET protein in rice， corn， soybean and sorghum

Keywords?Sugar transporter; SWEET; Crops; Function

SWEET蛋白是一類廣泛存在于真核單細(xì)胞生物、高等植物以及動物中的糖轉(zhuǎn)運蛋白[1]，通過參與糖在動植物體中的傳遞過程，影響多種重要的生理活動。糖類是動植物體內(nèi)不可或缺的組成部分，是植物生長發(fā)育過程中最重要的能量來源。植物體內(nèi)的糖類化合物主要在光合過程中產(chǎn)生，約占植物體干重的85%～90%[2]。光合作用所產(chǎn)生的80%的糖類，經(jīng)過相鄰的葉肉細(xì)胞，輸送到維管束鞘細(xì)胞，或者通過胞間連絲進入韌皮薄壁細(xì)胞和伴胞中，最后從伴胞傳遞到篩管組織[3]。其中，蔗糖在植物體內(nèi)主要由定位在質(zhì)膜上的糖轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)，實現(xiàn)在韌皮部的長距離運輸[4-6]，再通過篩管組織被運輸?shù)浇M織或器官如根、種子、果實等中[7]。糖轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)運效率會影響蔗糖輸出量，從而影響植物體內(nèi)有機物的積累，因此糖轉(zhuǎn)運蛋白是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一。

1?SWEET蛋白結(jié)構(gòu)特征

植物中主要有3種糖轉(zhuǎn)運蛋白：蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白（sucrose transporters，SUTs）、單糖轉(zhuǎn)運蛋白（monosaccharide transporters，MSTs）以及SWEET蛋白（hexose and sucrose transporters，SWEETs）[8-10]。SWEET蛋白不同于其它已知的糖轉(zhuǎn)運蛋白，它含有7個跨膜螺旋（transmembrane domains，TMs），由2個3-TMs單元串聯(lián)后，被1個TM螺旋（single TM）連接形成3-1-3的結(jié)構(gòu)（圖1）。原核生物中的SWEET蛋白是由1個3-TMs構(gòu)成，也具有類似糖轉(zhuǎn)運的功能，這些蛋白屬于 MtN3或 PQ-Loop家族。研究人員推測真核生物中的SWEET蛋白很有可能是由原核生物的3個TMs復(fù)制產(chǎn)生[11-14]。

2?SWEET蛋白的功能鑒定

植物SWEET蛋白位于韌皮部薄壁細(xì)胞的細(xì)胞膜上，負(fù)責(zé)糖的雙向運輸[14，16，17]。研究表明SWEET除具有轉(zhuǎn)運葡萄糖和蔗糖的功能[15，17]，還能夠轉(zhuǎn)運果糖[8，18]和半乳糖[19，20]。擬南芥SWEET家族有17個成員，水稻、玉米、大豆和高粱分別有21、24、52、23個成員，通過序列分析將以上5種植物SWEET家族的137個成員制成SWEET家族進化樹（圖2），并參照文獻(xiàn)[13]的方法分為4個發(fā)育進化枝。以擬南芥為例：SWEET 1～3在第Ⅰ分枝，SWEET 4～8在第Ⅱ分枝，SWEET 9～15在第Ⅲ分枝，SWEET 16～17在第Ⅳ分枝。研究顯示，不同分枝SWEET蛋白對單糖和雙糖的相對選擇有很大關(guān)聯(lián)性[13]：分枝Ⅰ和Ⅱ的SWEET蛋白主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運己糖;第Ⅲ分枝的SWEET蛋白主要負(fù)責(zé)蔗糖轉(zhuǎn)運;分枝Ⅳ中的SWEET蛋白在擬南芥的液泡中表達(dá)，主要負(fù)責(zé)果糖運輸。通過分裂泛素化酵母雙雜交和綠色熒光蛋白（GFP）試驗表明，擬南芥中的SWEET蛋白會寡聚化，AtSWEET1功能缺失突變能阻止葡萄糖的轉(zhuǎn)運[13]。

已有研究證實SWEET蛋白與配子體發(fā)育有關(guān)。敲除AtSWEET14基因的擬南芥突變體產(chǎn)生的種子較小，并且植株有明顯的發(fā)育延遲現(xiàn)象，說明該基因在種子形成過程中發(fā)揮作用[21，22]。另外，AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15也參與調(diào)控種子形成和發(fā)育過程[23-25]。AtSWEET17主要在液泡中負(fù)責(zé)多糖轉(zhuǎn)運，在植物的薄壁細(xì)胞等位置也有類似的功能表達(dá)[13，26]。AtSWEET5、AtSWEET8和AtSWEET13參與花粉發(fā)育過程[27-29]，而這3個SWEET家族成員顯然并未完全處在同一分枝。由此可見，不能僅靠轉(zhuǎn)運蛋白所在的SWEET家族分枝預(yù)測該蛋白所參與的生理過程。

在植物抗病方面，細(xì)菌或真菌病原體引起感病植物病原響應(yīng)基因的表達(dá)并分泌相應(yīng)蛋白與之結(jié)合，進而激活相關(guān)SWEET基因表達(dá)，為病原菌自身的生長和繁殖提供能量[30，31]。在低溫、干旱、低氮脅迫下AtSWEET16的轉(zhuǎn)錄水平降低，AtSWEET16過表達(dá)的擬南芥種子萌發(fā)率明顯提高，抗凍性也明顯增強，說明SWEET家族成員參與脅迫響應(yīng)過程[8，32]。AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15在葉片衰老期高度表達(dá)[19]，證明SWEET蛋白在植物生長發(fā)育過程中起到至關(guān)重要的作用。

3?作物中SWEET家族基因及其功能研究

通過對SWEET基因在擬南芥等模式植物中的表達(dá)分析以及功能研究，大致了解該基因家族在植物生長發(fā)育和響應(yīng)各類脅迫中的作用，為作物SWEET基因家族的功能研究提供了思路和方向。

3.1?水稻中SWEET家族基因及其作用

水稻的SWEET家族中有21個成員[33]，其中OsSWEET4跟玉米的3個旁系同源基因（ZmSWEET4a、ZmSWEET4b和ZmSWEET4c）是由同一祖先進化而來。研究顯示，該基因在水稻穗基部的高度表達(dá)可以誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)化，并且OsSWEET4負(fù)責(zé)己糖轉(zhuǎn)運，可使種子胚乳中的淀粉儲存量升高[34]。

水稻的其它SWEET基因也有相關(guān)功能研究，OsSWEET1a、OsSWEET2a、OsSWEET3a、OsSWEET4、OsSWEET5、OsSWEET15在水稻花和花序中具有較高的表達(dá)水平，說明它們參與調(diào)控水稻的生殖發(fā)育過程[35，36]。擬南芥SWEET1、SWEET8和水稻SWEET11（也被稱作Os8N3或Xal3）分別有31%和34%同源性。OsSWEET11負(fù)責(zé)調(diào)控淀粉的合成過程，通過RNAi使該基因沉默，花粉中的淀粉合成過程受到抑制，從而引起水稻雄性不育[15]。OsSWEET11和OsSWEET14在水稻的根、葉、花序中均有表達(dá)，OsSWEET11基因突變體表現(xiàn)為結(jié)實率下降、種皮皺縮和千粒重下降;OsSWEET14基因突變會使水稻側(cè)根生長發(fā)育受到一定影響[37]。Zhou等[19]發(fā)現(xiàn)在超表達(dá)OsSWEET5的水稻植株中，幼苗階段即表現(xiàn)出生長延遲以及生長后期過早衰老，而該基因敲除的植株可以正常生長發(fā)育。在過表達(dá)OsSWEET5的植株葉片中糖分含量明顯高于野生型對照，由此推測OsSWEET5參與糖代謝和轉(zhuǎn)運過程。

研究表明OsSWEET家族也是水稻上致病細(xì)菌對應(yīng)的敏感基因[38-42]。白粉病是當(dāng)前水稻比較嚴(yán)重的真菌性疾病，水稻白葉枯黃單胞菌Xoo（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）是引起該病的重要病原菌。當(dāng)Xoo侵染水稻時，水稻OsSWEET11基因被誘導(dǎo)而表達(dá)上調(diào)，激活質(zhì)膜上的效應(yīng)蛋白使致病菌從植物體細(xì)胞中獲得糖分[43]。如果OsSWEET11基因啟動子的效應(yīng)蛋白TAL發(fā)生突變，或者通過RNAi使得該基因沉默，宿主中可被病原體利用的糖分受限，病原體就不能正常生長[15，37]。OsSWEET11和OsSWEET14是同源基因，細(xì)菌對植株進行侵染時，OsSWEET14被激活與效應(yīng)蛋白TAL直接結(jié)合來支持病原菌的生長繁殖。因此抑制OsSWEET11和OsSWEET14的表達(dá)可使水稻對Xoo致病菌表現(xiàn)出抗性[37，41]。

3.2?玉米中SWEET家族基因及其作用

玉米的SWEETs基因家族有24個成員，且與擬南芥中的SWEETs基因家族成員有相似的表達(dá)模式，它們在玉米發(fā)育的各階段均起到重要作用。玉米SWEET4基因與籽粒灌漿密切相關(guān)[44]，它有3個旁系同源基因：ZmSWEET4a、ZmSWEET4b和ZmSWEET4c[34]。其中ZmSWEET4c在玉米授粉后10～17 d表達(dá)量提高了3.4倍。研究發(fā)現(xiàn)ZmSWEET4c介導(dǎo)己糖向基部胚乳轉(zhuǎn)移層的運輸，其轉(zhuǎn)運活性的增加使葡萄糖和果糖輸送至胚乳的能力增強，籽粒的糖積累增加，最終可以提高籽粒產(chǎn)量。該基因的T-DNA插入突變體表現(xiàn)出“空果皮”的表型，幾乎沒有胚乳，這說明ZmSWEET4c特異地影響了籽粒灌漿過程[34，45]。

玉米ZmSWEET10a蛋白主要定位在質(zhì)膜上，各種理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能特征都表明ZmSWEET10a是一種典型的跨膜運輸?shù)鞍住Ｓ衩字衂mSWEET10a在授粉后18 d的維管束鞘細(xì)胞中表達(dá)量最高，說明該基因在糖運輸至籽粒的過程中起關(guān)鍵作用[45]。玉米SWEET1b的二聚體結(jié)構(gòu)定位于氣孔細(xì)胞，該基因突變體表現(xiàn)為發(fā)育后期早衰和百粒重下降[46]。ZmSWEET1b與擬南芥SWEET1/2/3均為SWEET家族分枝Ⅰ的成員。對擬南芥分別敲除SWEET1、SWEET1/2、SWEET3和 SWEET1/2/3，并將突變體的角果與野生型進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突變體的角果長度明顯變短，但是不同突變體之間的差異并不明顯，這表明玉米SWEET1b和擬南芥SWEET1/2/3在植物生長發(fā)育過程中可能發(fā)揮重要作用[46]。

3.3?大豆中SWEET家族基因及其作用

大豆的SWEET家族共有52個成員，分布在15條染色體上，在不同的組織和發(fā)育階段表達(dá)模式各異，大多數(shù)GmSWEET基因在生殖器官發(fā)育過程中高度表達(dá)。GmSWEET6和GmSWEET15在葉片中有很高的表達(dá)量，這說明SWEET基因在大豆葉片蔗糖輸出過程中同樣起到重要作用[47]。

Patil[47]、Schmutz[48]、Wang[49]等通過對大豆的SWEET基因表達(dá)模式進行分析發(fā)現(xiàn)，在花梗、豆莢以及發(fā)育的種子中，SWEET基因的表達(dá)模式高度一致;GmSWEET12和GmSWEET21，在3個組織中都有較高程度表達(dá)，但在種子中的表達(dá)量最高，甚至超過了在其它組織中的表達(dá)量之和;GmSWEET5、GmSWEET10、GmSWEET23和GmSWEET48在種子中表達(dá)量也超過其它組織，被認(rèn)為是種子特異表達(dá)基因。

此外，大豆SWEET基因與缺鐵癥有關(guān)[50]，對大豆幼苗進行缺鐵處理，1 h后葉片中的Glyma05g38350（GmSWEET10）表達(dá)量上升約3倍，Glyma05g38340（GmSWEET11）和Glyma05g01310（GmSWEET21）表達(dá)量降低，表明這3個基因可能在SnRK1/TOR（SNORKEL）信號中發(fā)揮調(diào)控作用，從而應(yīng)對缺鐵脅迫。

3.4?高粱中SWEET家族基因及其作用

高粱基因組中發(fā)現(xiàn)23個SWEET家族成員。從抽穗期開始至抽穗期后36 d，SbSWEET9-1在葉片中的表達(dá)量比在莖和穗中的表達(dá)量高。此外在抽穗期的葉片中SbSWEET8-1、SbSWEET8-2和SbSWEET8-3也有不同程度的表達(dá)，但SbSWEET8-1在葉片中的表達(dá)量最高。SbSWEET8-1與擬南芥中負(fù)責(zé)葉片質(zhì)外體蔗糖輸出的AtSWEET11和AtSWEET12基因在同一進化枝，和玉米SWEET10a是同源基因[45]，由此可以推斷SbSWEET8-1對蔗糖在葉片中的轉(zhuǎn)運起重要作用。SbSWEET4-1、SbSWEET4-2和SbSWEET4-3位于4號染色體上，屬于同一進化分支，與水稻SWEET4是同源基因。試驗發(fā)現(xiàn)SbSWEET4-3主要在莖中表達(dá)，SbSWEET4-1和SbSWEET4-2則主要在花序中表達(dá)[23，51]。另外，SbSWEET2-1和SbSWEET7-1與水稻SWEET11在同一進化分支，基于對OsSWEET11的研究[36]，推測SbSWEET2-1和SbSWEET7-1在種子發(fā)育過程中具有重要作用。而SbSWEET9-3和擬南芥的SWEET8在同一進化分支，AtSWEET8通過調(diào)控葡萄糖向花粉細(xì)胞運輸，進而影響花粉的形成過程[24]。由此推測SbSWEET9-3在花粉中糖分運輸和花粉發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[51]。

4?前景展望

植物SWEET轉(zhuǎn)運蛋白參與多種生理過程，如韌皮部裝載、蜜腺分泌、籽粒灌漿、花粉發(fā)育、葉片衰老以及響應(yīng)生物和非生物脅迫。但是目前關(guān)于SWEET轉(zhuǎn)運蛋白的研究主要集中于模式植物擬南芥，在作物中只有少數(shù)SWEET基因的功能得到驗證，還有很多SWEETs家族成員的功能有待挖掘。SWEET蛋白具體的轉(zhuǎn)運機制，是否參與糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，以及如何提高該蛋白的轉(zhuǎn)運效率等問題仍有待我們?nèi)ド钊胙芯俊WEET蛋白在作物籽粒灌漿過程中發(fā)揮重要作用，在分子育種方面也具有重要應(yīng)用價值。

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