植物SWEET基因家族促進(jìn)病害發(fā)生的研究進(jìn)展

沈 川， 李 夏

(1.安康學(xué)院陜南生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心，陜西安康725000；2.安康市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西安康725000)

關(guān)鍵字： SWEET；糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；植物-微生物互作；基因工程；生物脅迫

植物在整個(gè)生命周期中，會(huì)暴露在影響其發(fā)育和功能的環(huán)境脅迫中。它們還必須應(yīng)對(duì)一系列的微生物，這些微生物極有可能具有致病性。全球每年由于細(xì)菌、真菌、卵菌和病毒病原菌引起的作物病害造成的損失高達(dá)數(shù)十億美元[1]。在與病原菌的相互作用中，植物感知微生物信號(hào)或相關(guān)的分子(如碳水化合物、脂類、肽、蛋白質(zhì))，并根據(jù)涉及的特定模式識(shí)別受體制定應(yīng)對(duì)策略[2]。因此，植物在適應(yīng)極端環(huán)境過程中已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜而協(xié)調(diào)的分子和代謝網(wǎng)絡(luò)，包括基因、代謝物和適應(yīng)反應(yīng)，它們調(diào)節(jié)生長(zhǎng)、光合作用、滲透壓和碳水化合物的平衡。在特定的壓力條件下，糖類在壓力感知、信號(hào)傳遞中起著關(guān)鍵作用，是壓力介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)節(jié)中心，確保滲透調(diào)節(jié)的反應(yīng)，清除活性氧(ROS)，并通過碳分配維持細(xì)胞的能量狀態(tài)[3]。

SWEET(Sugar will eventually be exported transporter)是一類新型的糖類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其功能為促進(jìn)糖類沿濃度梯度跨細(xì)胞膜擴(kuò)散，在古細(xì)菌、植物、某些真菌和動(dòng)物中存在同源轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[4]。SWEET廣泛存在于植物中，并在許多生理生化過程中發(fā)揮核心作用，包括長(zhǎng)距離運(yùn)輸糖的韌皮部裝載、花粉營(yíng)養(yǎng)、花蜜分泌、種子填充、果實(shí)發(fā)育、植物與病原菌的相互作用以及對(duì)非生物脅迫的反應(yīng)[5]。有趣的是，SWEET轉(zhuǎn)運(yùn)體是細(xì)胞外病原菌的目標(biāo)，病原菌改變其表達(dá)以獲得生長(zhǎng)所需的糖[6]。內(nèi)源性糖在介導(dǎo)植物免疫應(yīng)答和對(duì)抗病原菌攻擊中的作用越來越受到關(guān)注，因此出現(xiàn)了“甜味免疫”或“糖增強(qiáng)防御”的概念[7-8]。針對(duì)這些層次的調(diào)控將對(duì)作物改良有重要意義。

1 植物中SWEET基因家族的分布和結(jié)構(gòu)特征

SWEET基因家族在植物物種中分布廣泛，從2010年擬南芥第一個(gè)SWEET基因家族被鑒定出來[6]，截至目前已經(jīng)超過50多種植物中SWEET基因家族被鑒定出來。比如，在擬南芥中有 17 個(gè)成員，在水稻中有 21 個(gè)成員，在葡萄中有 17 個(gè)成員，在模式豆科植物蒺藜苜蓿中有 24 個(gè)成員[6,9-11]。事實(shí)上，在大多數(shù)已測(cè)序的植物基因組中已經(jīng)鑒定出SWEET基因，表1為一些植物SWEET基因家族的分布信息(表1)。

表1 SWEET基因家族在植物中的分布

通過對(duì)SWEET蛋白的跨膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，真核生物SWEET具有多達(dá)7個(gè)跨膜螺旋(TMHs)結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域被組織為2個(gè)3-TM結(jié)構(gòu)域(包含2個(gè)保守的 MtN3/Saliva 基序)的串聯(lián)重復(fù)，由單個(gè)TM分隔[4]。而在原核生物中，該結(jié)構(gòu)域被稱為SemiSWEET，且只有一個(gè)3-TM，但仍然能夠運(yùn)輸糖[4]。這一結(jié)構(gòu)特征賦予其能夠選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)不同種類的糖底物，包括蔗糖、果糖和葡萄糖[9]。

對(duì)5種植物(擬南芥、水稻、玉米、葡萄、番茄)中SWEET基因家族的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明，植物SWEET可分為4個(gè)亞群(進(jìn)化分枝Ⅰ-Ⅳ)(圖 1)。進(jìn)化分枝Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ中的SWEET主要用作單糖外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖、半乳糖或果糖，而進(jìn)化分枝Ⅲ成員優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)二糖蔗糖[16]。此外，除進(jìn)化分枝Ⅳ成員外，所有SWEET都定位于質(zhì)膜。與其他進(jìn)化分枝相比，進(jìn)化分枝Ⅳ含有相對(duì)較少數(shù)量的SWEET基因，且進(jìn)化分枝Ⅳ中的SWEET定位于液泡膜，并且已被證明主要由控制果糖通過液泡膜的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白組成[4-6]。

圖1 5個(gè)植物物種SWEET基因家族系統(tǒng)發(fā)育樹分析

擬南芥17個(gè)SWEET家族成員的4個(gè)系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化分枝已經(jīng)被廣泛研究，其中 AtSWEET1～AtSWEET3在進(jìn)化枝Ⅰ中，AtSWEET4～AtSWEET8在進(jìn)化枝Ⅱ中，AtSWEET9～AtSWEET15在進(jìn)化枝Ⅲ中，AtSWEET16～AtSWEET17在進(jìn)化枝Ⅳ中[16]。大多數(shù)其他植物的SWEET都是按照擬南芥采用的命名法命名[6]。SWEET基因在植物中的功能廣泛。例如，AtSWEET1充當(dāng)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[3]，而AtSWEET9是蜜腺特異性糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對(duì)花蜜生產(chǎn)至關(guān)重要[53]。AtSWEET11和AtSWEET12催化蔗糖從源葉中韌皮部薄壁細(xì)胞流出，并在韌皮部負(fù)載中發(fā)揮關(guān)鍵作用[54]。AtSWEET16和AtSWEET17作為液泡SWEET蛋白，起到果糖特異性輸出蛋白的作用，將液泡腔連接到胞質(zhì)溶膠[55]。在水稻中，位于質(zhì)膜上并在葉片韌皮部表達(dá)的OsSWEET11與韌皮部負(fù)載有關(guān)，功能與其擬南芥同源物AtSWEET11和AtSWEET12一樣[56]。OsSWEET14敲除突變體導(dǎo)致種子不飽滿，生長(zhǎng)遲緩，表明OsSWEET14在籽粒灌漿中起作用[57]。同時(shí)，OsSWEET1a、OsSWEET2a、OsSWEET3a、OsSWEET4、OsSWEET5和OsSWEET15在植株花和穗中均有高表達(dá)，表明這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在水稻生殖發(fā)育中也發(fā)揮了一定的作用[58]。此外，SWEETs還參與離子轉(zhuǎn)運(yùn)、葉片衰老、植物-病原菌互作和非生物脅迫等過程，比如細(xì)菌效應(yīng)子與OsSWEET11和OsSWEET14的啟動(dòng)子直接結(jié)合[59]。

2 SWEET參與細(xì)菌的致病過程

病原菌主要通過感染植物細(xì)胞來獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，特別是糖類，以促進(jìn)自身的生長(zhǎng)和繁殖，而這往往要以犧牲植物正常生長(zhǎng)為代價(jià)。比如，引起水稻細(xì)菌性白葉枯病的黃單胞菌屬利用植物SWEET運(yùn)輸器獲取寄主的糖分儲(chǔ)備[6,60]。這些細(xì)菌利用它們的Ⅲ型分泌系統(tǒng)分泌一系列效應(yīng)蛋白，包括轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)子(TALEs)進(jìn)入寄主細(xì)胞，直接針對(duì)特定SWEET基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控(圖2)[10]。

圖2 植物SWEET糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在微生物營(yíng)養(yǎng)中作用的簡(jiǎn)化模型

目前，此類研究主要集中于水稻上，作為引起細(xì)菌性葉枯病的一個(gè)關(guān)鍵侵染策略，黃單胞菌(Xoo)向植物細(xì)胞注入TALEs的DNA結(jié)合蛋白，這些蛋白質(zhì)以序列特異性方式與效應(yīng)物結(jié)合元件(EBEs)結(jié)合，誘導(dǎo)寄主基因的表達(dá)(表2)。比如，來自第3進(jìn)化分枝的5個(gè)SWEET基因是黃單胞菌轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)子的靶標(biāo)[61]。在這5個(gè)基因中，OsSWEET11和OsSWEET13分別被TAL效應(yīng)子PthXo1和PthXo2誘導(dǎo)，而OsSWEET14基因被AvrXa7、PthXo3、TalC和Tal5當(dāng)作侵染的關(guān)鍵目標(biāo)，在水稻-Xoo相互作用過程中作為主要的易感因子，這3個(gè)基因編碼蔗糖從細(xì)胞膜到質(zhì)外體空間的外流[62-63]。利用設(shè)計(jì)的異位誘導(dǎo)OsSWEET11b使無TAL的Xoo致病，發(fā)現(xiàn)OsSWEET11b是潛在的易感基因，并證明誘導(dǎo)寄主蔗糖活性是Xoo致病的關(guān)鍵[64]。此外，這些細(xì)菌病原菌還針對(duì)其他植物物種中的 SWEET 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，比如在木薯中，易感基因MeSWEET10a被來自細(xì)菌性枯萎病菌的TAL效應(yīng)器(TAL20Xam668)特異性誘導(dǎo)[60]。在柑橘中，病原菌黃單胞菌導(dǎo)致柑橘細(xì)菌性潰瘍病，此病原菌也是以TAL效應(yīng)子依賴性的方式誘導(dǎo)CsSWEET1的表達(dá)[65]。在棉花中，SWEET同源的隱性基因b6參與了棉花品系A(chǔ)cala-44對(duì)棉花角斑病菌的抗性反應(yīng)[66]。

表2 被細(xì)菌白葉枯病菌靶向的來自進(jìn)化分枝Ⅲ的SWEET轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

被黃單胞菌劫持的SWEET轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性對(duì)病原菌的生長(zhǎng)和增殖至關(guān)重要，攜帶截?cái)喟鎀AL效應(yīng)子的細(xì)菌突變株，甚至在TAL效應(yīng)子結(jié)合的啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生突變，均會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌含量降低，植物產(chǎn)生抗性[6,67]。TAL效應(yīng)子一般與效應(yīng)子TATAA元件結(jié)合，因此可以利用基因組編輯對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行修飾，改變植物-病原菌互作反應(yīng)，使寄主植物產(chǎn)生從感病性到抗性的轉(zhuǎn)變[68]。隱性抗性基因xa13和xa25分別是SWEET11和SWEET14的突變形式，在抵抗Xoo侵染中發(fā)揮積極作用[69]。同一個(gè)SWEET成員可以被不同的病原菌菌株特異性效應(yīng)子作為目標(biāo)，因?yàn)樗鼈兛梢耘c同一個(gè)啟動(dòng)子的不同區(qū)域結(jié)合。因此，SWEET基因啟動(dòng)子區(qū)域的隱性突變可以增加植物的抗性而不失去糖的運(yùn)輸功能使用[57]。OLIVA等[70]、XU等[71]使用CRISPR/Cas9基因編輯手段對(duì)水稻品種IR64和Ciherang-Sub1的SWEET11、SWEET13和SWEET14基因啟動(dòng)子的EBEs進(jìn)行了多重編輯。同樣，利用CRISPR/Cas9敲除水稻OsSWEET11基因后，純合突變體對(duì)Xoo的抗性顯著增強(qiáng)[72]。對(duì)編輯過的品系產(chǎn)量性狀分析發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)子編輯過的植株與其野生型親本之間沒有明顯的差異，但SWEET編輯過的水稻品系對(duì)Xoo的抗性有所增強(qiáng)[70-72]。

3 SWEET參與真菌和卵菌的致病過程

一些研究結(jié)果表明，在感染真菌和卵菌后，寄主體內(nèi)糖的運(yùn)輸和分配受到影響，寄主細(xì)胞成為滿足病原菌生長(zhǎng)和感染營(yíng)養(yǎng)需求的一個(gè)養(yǎng)料儲(chǔ)存庫(kù)(表3)。除SWEET進(jìn)化分枝Ⅲ外，來自其他支系的AtSWEETs的表達(dá)可以被Pseudomonassyringaepv. tomato strain DC3000、Golovinomycescichoracearum或Botrytiscinerea誘導(dǎo)。在植物與真菌的相互作用過程中，寄主細(xì)胞的糖外流和轉(zhuǎn)化酶活性的增強(qiáng)也會(huì)導(dǎo)致蔗糖和己糖積聚到葉綠體中，被真菌的糖運(yùn)輸器吸收。立枯絲核菌感染顯著增強(qiáng)了OsSWEET11的表達(dá)，突變體對(duì)水稻紋枯病的敏感性降低，而過表達(dá)OsSWEET11對(duì)病菌的敏感性升高，表明可能通過激活OsSWEET11的表達(dá)從水稻葉片中獲取糖分[59]。成功的營(yíng)養(yǎng)性病原菌可以將寄主的營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移到感染部位，比如，十字花科根腫病菌感染擬南芥導(dǎo)致糖在韌皮部的特異性積累，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET11和SWEET12促使糖向病原菌感染的部位分布[73]。GhSWEET42通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)在大麗輪枝菌感染中起著關(guān)鍵作用，通過操縱GhSWEET42的表達(dá)以控制感染部位的葡萄糖含量是抑制大麗輪枝菌感染的有效方法[74]。

表3 植物中被真菌/病毒靶向的SWEET轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

沉默IbSWEET10基因，導(dǎo)致甘薯對(duì)尖孢鐮刀菌的感病性增加，而過表達(dá)增強(qiáng)了抗性，這與水稻和棉花中的發(fā)現(xiàn)相反。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，甘薯中IbSWEET10的表達(dá)下調(diào)可能通過減少果膠和纖維素的沉積而損害維管組織的細(xì)胞壁完整性，導(dǎo)致對(duì)尖孢鐮刀菌的抵抗力下降，RNAi植株在感染后表現(xiàn)出被破壞的髓部結(jié)構(gòu)[78]。在擬南芥的根部，盡管土傳卵菌腐霉病菌的感染導(dǎo)致AtSWEET2基因表達(dá)量增加了10倍以上，但功能缺失的SWEET2突變體更容易受到感染，當(dāng)遭遇卵菌侵染時(shí)顯示生長(zhǎng)受損，這表明AtSWEET2轉(zhuǎn)運(yùn)體將糖從細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)到液泡，以限制它們滲漏到細(xì)胞外空間，可能為病原菌提供食物[79]。因此，可以認(rèn)為在病原菌攻擊時(shí)，各種糖信號(hào)級(jí)聯(lián)被破壞以減少植物的防御反應(yīng)，從而為病原菌的生長(zhǎng)提供更有利的環(huán)境。

SWEET是病原菌操縱的理想目標(biāo)，它們的表達(dá)在感染期間可能會(huì)被轉(zhuǎn)錄重編。玉米黑粉菌對(duì)玉米的糖分生理和產(chǎn)量產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)面影響，將糖分從發(fā)育中的果穗轉(zhuǎn)移到與真菌有關(guān)的富含糖分的器官，研究結(jié)果表明黑粉菌誘導(dǎo)了SWEET的局部上調(diào)表達(dá)，然后SWEET轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被招募，在生物營(yíng)養(yǎng)層面將糖分滲入細(xì)胞質(zhì)[85]。來自葡萄的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體VvSWEET4參與了與灰霉病菌的相互作用，其在受到ROS和大面積細(xì)胞死亡的刺激后會(huì)過度表達(dá)，同源的AtSWEET4突變體對(duì)灰霉病菌的敏感性較低，表明其能夠促進(jìn)葡萄糖流出到細(xì)胞壁空間以增強(qiáng)病菌生長(zhǎng)[87]。

4 展望

糖的運(yùn)輸和分布在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)和發(fā)育以及應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫方面起著重要作用[88-89]。因此，研究糖類運(yùn)輸體在植物生長(zhǎng)的各個(gè)階段如何運(yùn)輸和重新分配糖類是特別必要的。在過去的10年中，SWEET蛋白的研究取得了許多重要進(jìn)展，但仍有許多問題沒有得到解決。比如大多數(shù)植物含有SWEET基因家族的多個(gè)成員，這些基因如何協(xié)同工作，如何被調(diào)控，是否在轉(zhuǎn)錄或翻譯水平上被調(diào)控，以及如何實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，仍然不清楚[90]。

病原菌對(duì)植物 SWEET 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的誘導(dǎo)與病原體獲得寄主來源糖用于營(yíng)養(yǎng)的能力增加有關(guān)。雖然人們普遍認(rèn)為糖的代謝和調(diào)配是決定植物和病原菌在感染過程中持續(xù)戰(zhàn)斗的重要角色，但植物易感性或抗性反應(yīng)的代謝特征及其調(diào)控模式仍然知之甚少[71]。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，TALEN和CRISPR/Cas9技術(shù)可以被廣泛用于編輯植物的易感基因來實(shí)現(xiàn)廣譜抗性工程[91]。鑒于糖是植物生長(zhǎng)、發(fā)育和作物產(chǎn)量各個(gè)方面的核心營(yíng)養(yǎng)，隨著這一領(lǐng)域研究的進(jìn)展，可以預(yù)期會(huì)有更多令人興奮的發(fā)現(xiàn)。