植物光合產(chǎn)物源庫流調(diào)控及其對干旱的響應(yīng)

陳慶超，趙 楊

（1.中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，上海植物逆境生物學(xué)研究中心，上海 200032；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

近半個世紀(jì)以來，隨著世界人口的迅速增長，在未來幾十年糧食產(chǎn)量必須大幅增加，以滿足全球日益增長的糧食需求。與此同時，全球氣候變暖也加劇了水、土地和能量等資源的競爭，這些都對全球糧食生產(chǎn)力構(gòu)成了巨大威脅。因此，來自需求和生產(chǎn)力等多個方面的壓力給全球糧食安全帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1]。以水稻為例，籽粒中大約70%的主要成分是淀粉，而淀粉的主要來源是植物固定的光合產(chǎn)物，即碳水化合物。因此，碳水化合物的源庫流不僅可調(diào)節(jié)碳源（Carbon）在整個植物中的同化、轉(zhuǎn)運(yùn)和儲存，并在可收獲器官的產(chǎn)量方面具有關(guān)鍵調(diào)控作用。在漫長的進(jìn)化過程中，植物已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的系統(tǒng)來平衡不同生長環(huán)境下光合產(chǎn)物的源、庫、流[2-6]。近些年，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，調(diào)控源、庫、流的信號通路的關(guān)鍵組成部分也慢慢被鑒定和發(fā)現(xiàn)。

1 植物生長發(fā)育不同階段的碳源庫流

大多數(shù)高等植物的生長周期大體可以分為3 個主要的生長階段：種子萌發(fā)和幼苗形成階段，營養(yǎng)生長階段，以及生殖生長階段[7]。光合產(chǎn)物的源、庫、流幾乎發(fā)生在所有綠色植物生命周期的各個階段，其中，蔗糖是絕大多數(shù)高等植物光合產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)闹饕问健Ｔ诜N子萌發(fā)和幼苗形成階段，主要是胚乳（源器官）中儲存淀粉分解為可溶性糖，然后糖和氮（N）、磷（P）、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)被運(yùn)輸?shù)脚撸◣炱鞴伲┲?，促進(jìn)萌發(fā)，形成幼芽和幼根。在營養(yǎng)生長階段，成熟葉片（源器官）白天通過光合作用固定太陽能，合成的碳源除供給源器官以及轉(zhuǎn)運(yùn)至庫器官外，大部分以淀粉的形式暫時儲存；在夜晚時淀粉被動員分解為可溶性糖，并以蔗糖的形式通過韌皮部運(yùn)輸?shù)桨l(fā)育中的新生葉和根等庫器官中加以利用[8]。當(dāng)植物開花后，基本進(jìn)入了最后的生殖生長階段，在這個階段中，成熟葉片通過光合作用固定的蔗糖被轉(zhuǎn)移到發(fā)育中的種子中（庫器官）；與此同時，植物葉片開始衰老，衰老葉片（源器官）中的各種營養(yǎng)物質(zhì)也被調(diào)動和運(yùn)輸?shù)缴称鞴偃缁ㄆ鞴俸头N子（庫器官）中，以更好地繁衍后代。

2 基于光合產(chǎn)物源、庫、流的作物改良策略

在植物中，蔗糖、葡萄糖、果糖、海藻糖等糖類及其衍生物不僅是細(xì)胞重要的代謝物和結(jié)構(gòu)成分，而且還具有類似激素的調(diào)節(jié)作用。糖信號調(diào)控植物整個生命周期的大部分基本過程，包括胚胎發(fā)生、種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長、生殖生長、衰老以及對各種生物脅迫和非生物脅迫的應(yīng)答反應(yīng)[9]。因此，對于作物來說，蔗糖的源庫轉(zhuǎn)運(yùn)是整個植物源庫流網(wǎng)絡(luò)的中心，并且決定著產(chǎn)量。在綠色革命之后，諸如分子克隆、標(biāo)記輔助育種和轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)已被廣泛用于創(chuàng)造產(chǎn)量更高、抗逆性更好的轉(zhuǎn)基因作物，并取得了一些成功。這些改進(jìn)策略依賴于對許多代謝途徑的遺傳改造和精確控制特定基因表達(dá)，包括優(yōu)化操縱源、庫、流相關(guān)基因[10]。因此，更好地理解蔗糖的源庫流不僅有助于提高作物產(chǎn)量，而且有助于優(yōu)化生物燃料或其他生物產(chǎn)品的碳分配，這對生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要[11]。到目前為止，對于操縱糖的源庫流的理論策略主要是基于提高源強(qiáng)度、庫強(qiáng)度或轉(zhuǎn)運(yùn)效率[12]。因此，對這3 個代謝過程的研究理解，建立完整的糖相關(guān)源庫流的模型，以及完善干旱等非生物脅迫條件下源庫流調(diào)控的機(jī)制，對于指導(dǎo)作物遺傳改良至關(guān)重要。接下來將重點(diǎn)從源強(qiáng)、轉(zhuǎn)運(yùn)、庫強(qiáng)3 個方面論述糖的源庫流網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展；此外，尤其關(guān)注干旱脅迫對糖的源庫流模型的調(diào)控。

2.1 光合產(chǎn)物源強(qiáng)調(diào)控

源強(qiáng)度通常用來描述源器官通過光合作用吸收固定二氧化碳以及將其轉(zhuǎn)化為光合產(chǎn)物即糖的能力[6]。在不同的生長發(fā)育階段，不同的器官組織可以作為源器官。在活躍的營養(yǎng)生長階段，碳同化主要由發(fā)育成熟的綠色葉片完成，通過光合作用將CO2固定為碳水化合物。而在生殖生長階段，除了成熟葉片的光合作用，衰老的葉片以及其他綠色器官，如小麥的穎殼、穗下節(jié)和芒等也作為重要的源器官，動員其中儲藏的碳源以蔗糖的形式運(yùn)輸?shù)椒N子中[13-14]。

高效的光合作用可以增強(qiáng)源活性，因此操縱光合作用相關(guān)基因表達(dá)以提高光合作用效率在作物改良領(lǐng)域備受關(guān)注[12，15]。很多年的研究積累，使得研究人員在理解光合效率方面取得了很大的進(jìn)展，這些研究成果也在育種和提高源強(qiáng)度的生物工程中得到了一定的應(yīng)用[16-17]。盡管改進(jìn)光合效率在很多物種里提高了生物量，但只有個別情況報道了提高可收獲的作物產(chǎn)量。最近的一項(xiàng)研究通過衣藻乙醇酸脫氫酶和南瓜蘋果酸合酶在質(zhì)體中的過表達(dá)，以及結(jié)合RNAi 抑制質(zhì)體乙醇酸-甘油轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，使得煙草的生物量提高了37%。通過減少光呼吸途徑以降低能耗來促進(jìn)植物生長的生物工程設(shè)計[18]。盡管這是一個極有希望增加C3 作物生物量的策略，但在溫室中，只有一個轉(zhuǎn)基因株系的種子總產(chǎn)量顯著增加，進(jìn)一步說明其他轉(zhuǎn)基因株系可能存在限制糖轉(zhuǎn)運(yùn)或者庫拉力的瓶頸，從而限制了產(chǎn)量的提高。對小麥和玉米的綜合研究表明，種子產(chǎn)量和光合效率的關(guān)系并不是線性的，光合產(chǎn)物增加5 倍導(dǎo)致產(chǎn)量增加不到50%[19]。這些結(jié)果與最近的一個模型預(yù)測結(jié)果一致，由于不同作物的背景和成長環(huán)境，在光合效率增加20%的情況下，作物可收獲率僅增加了-1.9%～12.1%。這些試驗(yàn)和模型都表明，光合效率并不是產(chǎn)量提高的唯一限制因素。

眾所周知，Stay-Green（SG）的特性是通過延緩作物的衰老，在開花后更長的時間內(nèi)具有持續(xù)綠葉狀態(tài)和光合能力[20]。然而，通過延緩衰老增強(qiáng)作物源強(qiáng)度的策略未能明顯提高產(chǎn)量[21]。源強(qiáng)度較高的Stay-Green 型作物在葉片等源器官中積累了較高水平的淀粉和蔗糖，但未能有效地將碳水化合物運(yùn)輸?shù)椒N子等庫組織[18，21]。因此，蔗糖長距離運(yùn)輸以及庫強(qiáng)的限制可能是導(dǎo)致作物未能增產(chǎn)的重要限制因素。另一方面，作物為了有效地實(shí)現(xiàn)籽粒灌漿，衰老的啟動也需要與開花后發(fā)育相協(xié)調(diào)。衰老葉片作為這個階段重要的源器官，其中儲存碳源的高效動員也是源強(qiáng)的重要體現(xiàn)。干旱和ABA 可以誘導(dǎo)衰老相關(guān)基因（SAG）的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)葉片衰老[13]。中度干旱或ABA 處理可促進(jìn)全株衰老，加速碳源從莖和衰老葉片中向籽粒中動員[22]，說明環(huán)境因素和植物激素在調(diào)控衰老方面具有重要作用。此外，ABA由種子向穎果的轉(zhuǎn)運(yùn)對于種子灌漿和發(fā)育起著核心作用。有研究發(fā)現(xiàn)，OsNAP 在連接ABA 誘導(dǎo)的衰老和年齡依賴的衰老中發(fā)揮重要的作用[23]。同時，降低OsNAP 基因的表達(dá)可延長籽粒灌漿時間，提高結(jié)實(shí)率，顯著提高籽粒產(chǎn)量。因此，微調(diào)OsNAP基因的表達(dá)可能是脅迫條件下提高禾本科作物產(chǎn)量的一種手段[24-26]。

從代謝通路的角度來看，蔗糖的合成是控制源強(qiáng)的關(guān)鍵過程。在大多數(shù)植物中，蔗糖主要是由2 種酶合成的：蔗糖-磷酸合酶（SPS）和蔗糖-磷酸酶（SPP）。其中，SPS 以UDP-葡萄糖和果糖-6-磷酸為底物合成蔗糖-6-磷酸；SPP 從蔗糖-6-磷酸中釋放磷酸根（Pi）生成蔗糖。SPS 是蔗糖合成的關(guān)鍵組分，在滲透脅迫和光照條件下，可通過蛋白磷酸化/去磷酸化調(diào)控SPS 的酶活性[27-28]。蛋白磷酸化組學(xué)分析表明，鈣依賴蛋白激酶CDPK 參與調(diào)控SPS 的活性，可能與水稻耐冷有關(guān)[29]。對SPS 蛋白翻譯后修飾的活性調(diào)控為研究逆境條件下源器官中蔗糖合成的早期步驟提供了重要線索。此外，光合作用吸收的二氧化碳通常以淀粉的形式儲存在源器官中，而淀粉動員是可溶性糖的主要來源，也是影響源強(qiáng)的重要因素。研究發(fā)現(xiàn)，ABA 可以通過SnRK2-AREB/ABF 激酶信號通路調(diào)控滲透脅迫下葉片淀粉的降解[5]?？梢?，這些研究發(fā)現(xiàn)暗示在脅迫條件下調(diào)節(jié)糖代謝通路關(guān)鍵酶活性以增強(qiáng)源強(qiáng)度的可能。

2.2 光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控

通過提高光合效率和延緩衰老等方法提高源強(qiáng)度并沒有增加產(chǎn)量，暗示蔗糖的轉(zhuǎn)運(yùn)可能是重要的限制因素。蔗糖在葉片的葉肉細(xì)胞中合成后，主要通過共質(zhì)體途徑或質(zhì)外體途徑被裝載到韌皮部，前者依賴連接篩管/伴胞（SE/CC）復(fù)合物的胞間連絲，后者依賴特定的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。多年來研究發(fā)現(xiàn)，2 類糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族是蔗糖質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵蛋白，包括SUT 和SWEET。SWEET 蛋白將蔗糖從濃度較高一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)至較低一側(cè)，目前研究發(fā)現(xiàn)，其主要介導(dǎo)蔗糖外排進(jìn)入質(zhì)外體[30]，SUT 蛋白將蔗糖從質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(yùn)至伴胞和負(fù)責(zé)長距離轉(zhuǎn)運(yùn)的篩管[31-33]。

SWEET 家族是7 次跨膜的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。擬南芥有17 個SWEET 成員，其中，SWEET1-3 屬于Ⅰ亞型，SWEET4-8 屬于Ⅱ亞型，SWEET9-15 屬于Ⅲ亞型，SWEET16-17 屬于Ⅳ亞型。Ⅰ亞型和Ⅱ亞型主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)單糖，Ⅲ亞型主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)蔗糖，Ⅳ亞型（AtSWEET16 和AtSWEET17）在擬南芥中主要定位于液泡膜上，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)果糖。其中，Ⅲ亞型的SWEET 蛋白成員是主要的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，它們的組織表達(dá)和定位各有不同，負(fù)責(zé)在不同的源器官中進(jìn)行蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)[30，34-36]。其中，SWEET9 被鑒定為植物蜜腺特異性糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，SWEET9 的表達(dá)在花蜜分泌中發(fā)揮重要作用[36]。在擬南芥中，SWEET11 和SWEET12 主要在葉片韌皮部薄壁組織細(xì)胞中表達(dá)[30]，編碼負(fù)責(zé)葉片蔗糖韌皮部裝載的主要糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。此外，AtSWEET11 和AtSWEET12 還參與擬南芥的維管發(fā)育和冷脅迫抗性[37-38]。有研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥種子灌漿需要3 種蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET11、SWEET12和SWEET15，它們在種子發(fā)育過程中表現(xiàn)出特定的時空表達(dá)模式，共同介導(dǎo)蔗糖從種皮向胚中的轉(zhuǎn)運(yùn)[39]。AtSWEET15（SAG29）基因在葉片衰老過程中也高表達(dá)，是葉片衰老過程重要的標(biāo)志基因。過表達(dá)AtSWEET15 的擬南芥植株表現(xiàn)出加速衰老和鹽敏感，而sweet15 突變體則表現(xiàn)出衰老延遲和對鹽脅迫敏感度下降[40]。

近年來，很多研究也關(guān)注了SWEET 蛋白在作物中的重要功能。在水稻籽粒中，SWEET11 和SWEET15 高表達(dá)并定位于4 個關(guān)鍵部位：早期珠心所有區(qū)域，接近背側(cè)維管的珠心的凸出以及包圍胚乳的珠心表皮和糊粉層。ossweet11/ossweet15 雙突變體具有嚴(yán)重的種子生長和胚發(fā)育缺陷，且突變體在果皮中積累大量淀粉，但穎果不含功能性胚乳。因此，OsSWEET11 和OsSWEET15 在蔗糖從種皮向內(nèi)部胚乳轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[41]。此外，很多研究發(fā)現(xiàn)，水稻黃單胞菌可以通過其III 型分泌系統(tǒng)將TAL 效應(yīng)因子（TALes）注入植物細(xì)胞，TALes可以識別宿主SWEET 基因啟動子中效應(yīng)結(jié)合元件（EBEs），誘導(dǎo)SWEET 基因表達(dá)，使得更多糖轉(zhuǎn)運(yùn)至質(zhì)外體中被菌體吸收利用，使得水稻易感白葉枯病[42]。最近研究利用基因編輯技術(shù)突變水稻SWEET基因啟動子中的EBEs 元件，可以實(shí)現(xiàn)水稻對白葉枯病的廣譜抗性[43]。值得注意的是，ossweet14T-DNA插入突變體表現(xiàn)出嚴(yán)重的植物生長發(fā)育缺陷，純合突變體需要大約2 倍的生長時間才能達(dá)到與雜合突變體相似的植株大小，并顯示出種子發(fā)育的缺陷[44]，這暗示OsSWEET14 可能在水稻蔗糖韌皮部裝載中發(fā)揮重要作用。在玉米中，3 個在葉片中高表達(dá)的SWEET 蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZmSWEET13a、Zm-SWEET13b 和ZmSWEET13c 是玉米蔗糖韌皮部裝載的關(guān)鍵成員?；蚓庉嫷娜猛蛔凅wzmsweet13a/zmsweet13b/zmsweet13c 表現(xiàn)出嚴(yán)重的生長發(fā)育缺陷，突變體的光合作用受到影響，并且葉片積累大量淀粉和可溶性糖。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，許多與光合作用和碳水化合物代謝相關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄在突變體中受到抑制。GWAS 分析表明，ZmSWEET13 基因的變異可能與一些重要的玉米農(nóng)藝性狀有關(guān)，特別是開花時間和葉夾角[45]。在大豆中，GmSWEET15 在大豆種子發(fā)育早期介導(dǎo)蔗糖從胚乳向胚的轉(zhuǎn)運(yùn)，對種子的發(fā)育起關(guān)鍵作用[46]。最近研究發(fā)現(xiàn)，Gm-SWEET10a 和GmSWEET10b 能運(yùn)輸蔗糖和己糖，促進(jìn)糖從種皮向胚的轉(zhuǎn)運(yùn)，決定大豆籽粒中油脂和蛋白質(zhì)的含量和籽粒大小[47]。對GmSWEET10a 優(yōu)異等位基因的選擇推動了大豆種子性狀的初始馴化，而GmSWEET10b 與其同源基因GmSWEET10a在功能上存在冗余，在育種過程中受到了正選擇效應(yīng)，導(dǎo)致GmSWEET10b 單倍型成為當(dāng)前大豆育種的靶點(diǎn)，可見關(guān)鍵基因優(yōu)異等位變異定向選擇能進(jìn)一步提高大豆的產(chǎn)量和籽粒性狀。盡管SWEET 蛋白在眾多作物的蔗糖韌皮部裝載、種子灌漿和響應(yīng)生物脅迫及非生物脅迫中發(fā)揮著重要作用，但其中的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。值得注意的是，從蛋白序列上看，SWEET 蛋白家族不同成員間的跨膜區(qū)高度保守，但C 末端序列差異非常大。由于C 末端的差異性和復(fù)雜性，大多數(shù)基于晶體衍射技術(shù)的SWEET蛋白相關(guān)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究都將C 末端刪除，以提高蛋白的分子動力學(xué)穩(wěn)定性，以此提出了SWEET 蛋白三聚體的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)模式[48-50]。然而C 末端依然被認(rèn)為是SWEET 與其他蛋白互作的主要結(jié)構(gòu)域[51]。因此，研究C 末端在SWEET 蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的調(diào)節(jié)功能對于SWEET 蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的解析具有重要意義。

在植物中，SUT 蛋白主要負(fù)責(zé)韌皮部裝載過程的第2 步糖轉(zhuǎn)運(yùn)：由質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(yùn)至篩管伴胞復(fù)合體。在水稻生長發(fā)育的不同階段，SUT 家族的各個成員表達(dá)模式不同，SUT 蛋白功能具有多樣性[52]。水稻中ossut1 單突變體對植株生長、光合作用或碳水化合物固定沒有產(chǎn)生明顯影響，但影響籽粒發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[53-54]，一方面，表明OsSUT1 在水稻種子灌漿中的關(guān)鍵作用；另一方面，OsSUT1 可能與其他SUT 蛋白成員在蔗糖韌皮部裝載上存在功能冗余[52]。OsSUT3 和OsSUT5 在葉片中的表達(dá)量也較高，尤其在異源爪蟾蛙卵系統(tǒng)中，OsSUT5 的蔗糖底物結(jié)合活性更高，暗示其可能在蔗糖韌皮部裝載中發(fā)揮重要作用[55]。OsSUT2 定位在液泡膜，ossut2突變體植株生長發(fā)育延遲，葉片可溶性糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）含量顯著增加，產(chǎn)量下降。過表達(dá)的OsSUT2 可以互補(bǔ)突變體的表型，這些結(jié)果表明，定位于液泡的OsSUT2 是水稻正常生長所必需的[56]。

在不同生理?xiàng)l件下，多種轉(zhuǎn)錄因子及激素參與SUT 基因的轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控[57]。水稻灌漿期NF-YB1通過轉(zhuǎn)錄激活糊粉層中的SUT1、SUT3 和SUT4 來調(diào)控蔗糖向胚乳的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)淀粉合成[58]。一類水稻轉(zhuǎn)錄因子OsDOF11 可以通過調(diào)節(jié)SUT1 的表達(dá)來調(diào)節(jié)糖的運(yùn)輸[59]。此外，生長素可以通過調(diào)節(jié)蔗糖運(yùn)輸來抑制玫瑰花瓣的脫落，受到脫落區(qū)的RhARF7-RhSUC2 模塊調(diào)控[60]。除轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控外，SUT 蛋白的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性也受到蛋白翻譯后修飾的影響[61-62]。在擬南芥中，細(xì)胞壁相關(guān)蛋白激酶WAKL8 可以磷酸化蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT2，增強(qiáng)了蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性和韌皮部裝載[62]。蘋果MdCIPK 可以磷酸化MdSUT2.2，增強(qiáng)了蛋白穩(wěn)定性和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體活性，從而提高了鹽脅迫的耐受性[63-64]。有研究發(fā)現(xiàn)，滲透脅迫可能參與調(diào)控多個SUT 基因的表達(dá)[65]，但相關(guān)機(jī)制及調(diào)控通路并不清楚。此外，最近的磷酸化組學(xué)分析也鑒定到了一些SUT 蛋白在滲透脅迫誘導(dǎo)下的潛在的磷酸化肽段[66]。對這些潛在線索的深入研究，將有助于闡釋SUC 蛋白在滲透脅迫下的分子調(diào)控，也將會拓寬對脅迫下蔗糖源庫轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控的認(rèn)識。

2.3 光合產(chǎn)物庫強(qiáng)調(diào)控

庫強(qiáng)可以大致定義為一個特定庫器官或組織接受碳源或其他營養(yǎng)物質(zhì)并加以利用或儲存的能力。近幾十年來研究發(fā)現(xiàn)，源強(qiáng)對光合作用有反饋抑制作用是作物增產(chǎn)的一個瓶頸，不僅降低了可收獲產(chǎn)量，而且也降低了全球碳同化[67]。通過增加庫強(qiáng)度、提高庫內(nèi)光合同化物的利用，可以進(jìn)一步提高光合作用能力，具有顯著的增產(chǎn)潛力。蔗糖代謝是庫強(qiáng)的重要決定因素。鑒于SWEET 和SUT 蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在不同的庫器官中都表達(dá)，因此蔗糖在運(yùn)輸后很可能通過SWEET 和SUT 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被釋放到庫器官中，但這有待進(jìn)一步證實(shí)。此外，通過改造一些與糖代謝有關(guān)的酶，常?？梢愿纳铺紟鞆?qiáng)度[12]。在庫組織中，蔗糖從韌皮部的質(zhì)外體卸載后，可被蔗糖轉(zhuǎn)化酶（INV）或蔗糖合酶（SUS）降解為己糖及其衍生物，這些衍生物隨后被己糖轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)至受體細(xì)胞[68]。INV 按其亞細(xì)胞定位可分為質(zhì)外體型、液泡型和胞質(zhì)型3 種亞型，分別稱為細(xì)胞壁型INV（CWIN）、液泡型INV（VIN）和胞質(zhì)型INV（CINV）[68]。從蛋白序列上看，VINs 和CWINs 的N端結(jié)構(gòu)域有多達(dá)100 個氨基酸殘基，由一個信號肽和一個N 端前肽組成，可能與蛋白質(zhì)折疊、定位和活性調(diào)節(jié)有關(guān)[69]。CINV 是藍(lán)藻和植物所特有的，表明植物CINV 可能起源于內(nèi)共生后的同源原核基因[70]。

細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶（Cell wall invertase，CWIN）決定了籽粒灌漿早期碳源的代謝和分配，CWIN 的過表達(dá)導(dǎo)致穗部穎殼和苞葉的生長，增加了籽粒大小、數(shù)量和淀粉含量，進(jìn)而提高了水稻和玉米的產(chǎn)量[71-72]。糖在庫組織中進(jìn)入不同的代謝途徑也可能對作物的品質(zhì)或產(chǎn)量產(chǎn)生不同的影響。在馬鈴薯塊莖中，CWIN 的過表達(dá)很好地證實(shí)了這一觀點(diǎn)。與野生型相比，整體過表達(dá)CWIN 導(dǎo)致淀粉積累總體減少，塊莖變小，整體產(chǎn)量不受影響，因?yàn)閴K莖數(shù)量有相應(yīng)的增加。然而，特異在質(zhì)外體中增強(qiáng)CWIN 的表達(dá)導(dǎo)致塊莖較大，塊莖數(shù)量減少，單株總產(chǎn)量增加[73]。以上研究表明，庫強(qiáng)度是一個非常有用的概念，盡管它只是被寬泛地定義為庫組織進(jìn)口和利用碳源的能力，然而，這個抽象定義的數(shù)學(xué)測量和量化并不簡單。庫代謝活性的增加并不總是導(dǎo)致產(chǎn)量的增加，更系統(tǒng)地研究碳源分配到庫組織的瓶頸對于作物改良具有巨大的潛力。

液泡型VIN 在液泡中將蔗糖水解成己糖，VIN活性與許多庫器官中己糖的積累有關(guān)。在擬南芥中，與蔗糖合酶活性相比，根和下胚軸的長度更依賴于VIN 的活性[74]。此外，VIN 蛋白可能受到磷酸化的影響，WAK2 激酶的突變降低了VIN 的表達(dá)和活性，證實(shí)了細(xì)胞壁感受與糖代謝調(diào)節(jié)的聯(lián)系[73，75]。

相對CWIN 和VIN 的作用方面取得的研究進(jìn)展，目前關(guān)于CINV 功能的研究相對較少。2 種高表達(dá)的CINV 主要位于根細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，暗示了CINV 在植物根系發(fā)育中的潛在作用[76]。此外，CINV1 通過控制細(xì)胞內(nèi)己糖濃度參與滲透脅迫誘導(dǎo)的側(cè)根生長抑制，但其分子機(jī)制尚待深入解析[77]。擬南芥基因CINV1 在水稻中同源基因OsCYT-INV1發(fā)生突變時，水稻植株表現(xiàn)出短根、延遲開花和育性下降的表型[78]。

2.4 干旱脅迫下光合產(chǎn)物的源、庫、流調(diào)控

干旱是全球性的氣候?yàn)?zāi)害，全世界大部分地區(qū)都經(jīng)歷過或正在經(jīng)歷不同程度的干旱。對于植物來說，干旱會造成嚴(yán)重的滲透脅迫，造成植物失水甚至死亡，因此嚴(yán)重威脅著全球的糧食安全。光合產(chǎn)物的源庫流對環(huán)境變化，尤其是水分條件的變化十分敏感[4]。在旱脅迫的條件下，作物源庫流原本的平衡會被打破，因此，研究干旱條件下植物如何調(diào)節(jié)源、庫、流，對于將來耐旱作物遺傳改良非常重要。

在干旱條件下，根系吸水量減少，導(dǎo)致植物體內(nèi)水分運(yùn)動受阻，細(xì)胞膨壓降低，氣孔關(guān)閉[79]。同時內(nèi)源ABA 水平增加，通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)閉氣孔，氣孔關(guān)閉雖然降低了蒸騰作用導(dǎo)致的水分散失，但也降低了光合作用可獲得的碳源。長期來看，可用于同化的CO2減少會導(dǎo)致卡爾文循環(huán)減慢[80]，并降低光合作用[81]，從而導(dǎo)致源強(qiáng)度降低。但干旱脅迫對光合作用相關(guān)基因表達(dá)的影響在物種內(nèi)部以及物種間十分復(fù)雜，轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)現(xiàn)有許多不同的光合作用相關(guān)基因在干旱條件下被下調(diào)[82-83]或上調(diào)[84-85]，但具體的調(diào)控機(jī)制有待于深入研究。盡管如此，通過促進(jìn)光合作用維持碳同化水平，同時減少水分流失（氣孔關(guān)閉），被認(rèn)為是提高植物抗旱性的重要策略。

一些研究表明，NAC 和NF-Y 家族的轉(zhuǎn)錄因子的組成性過表達(dá)[86-87]，以及脅迫誘導(dǎo)啟動子驅(qū)動的ZmNF-YB16 的過表達(dá)提高了植物的抗旱性[88]，轉(zhuǎn)錄分析表明，抗旱性的提高與氣孔響應(yīng)改善、光系統(tǒng)損傷減少和光合速率的提高有關(guān)，對干旱下源強(qiáng)的調(diào)控，有望同時提高作物耐旱性和產(chǎn)量。然而，這些轉(zhuǎn)錄因子的直接靶點(diǎn)基因仍需要鑒定，以最大限度地減少轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的多效效應(yīng)和潛在的產(chǎn)量損失。最近研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)光系統(tǒng)II 亞基S 和來自葉黃素循環(huán)的酶來促進(jìn)光保護(hù)的恢復(fù)，或通過引入替代乙醇酸代謝途徑繞過光呼吸，顯著提高了田間煙草和水稻產(chǎn)量[89]；增加核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）的組裝速度可以改善玉米的碳同化和生長[90]。在不影響光合作用的情況下，提高擬南芥氣孔對光照的響應(yīng)速度，通過減少蒸騰過程中的水分流失增加了生物量和抗旱性[91]。這些研究展示了通過增加源強(qiáng)提高作物抗旱性的誘人前景。

之前研究認(rèn)為，在干旱條件下，植物體內(nèi)水分的減少可能會增加韌皮部的黏度，從而降低糖的轉(zhuǎn)運(yùn)[92]。但最近的研究表明，干旱和滲透脅迫條件可以誘導(dǎo)很多SWEET 或SUC 糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因表達(dá)上調(diào)，表明在干旱條件下植物可以通過調(diào)控糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來維持甚至促進(jìn)糖等營養(yǎng)物質(zhì)從源向庫的轉(zhuǎn)運(yùn)。然而，干旱下糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控的分子機(jī)制十分復(fù)雜，仍不清楚。較早的研究證明，植物生理研究發(fā)現(xiàn)，植物激素ABA 處理可以促進(jìn)大豆中碳源（主要是糖）從地上部分向根的長距離轉(zhuǎn)運(yùn)[93]；最近的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫也誘導(dǎo)擬南芥中光合產(chǎn)物從地上部分向根系的轉(zhuǎn)運(yùn)[3]。這些證據(jù)都暗示，ABA 信號在調(diào)控干旱下糖從地上部分向根系的長距離轉(zhuǎn)運(yùn)具有重要功能。

3 小結(jié)

綜上，碳源庫流對于作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量以及環(huán)境適應(yīng)能力起著關(guān)鍵的作用?；谥参锾荚磶炝鞯淖魑镞z傳改良，是提高作物產(chǎn)量和增強(qiáng)作物抗性的重要途徑。近20 余年以來，分子生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展鑒定了控制碳源、庫、流的一些重要的分子元件，并解析了碳相關(guān)源庫流的基本分子機(jī)制。目前不同作物通過改善“持綠”性狀延緩衰老，進(jìn)而增強(qiáng)了作物葉片的光合時間；近年來，隨著合成生物學(xué)的興起，通過分子設(shè)計增強(qiáng)了植物的光合效率?；谠鰪?qiáng)源強(qiáng)的作物遺傳改良雖然增加了作物生物量，但尚未將生物量的增加有效轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)量提高。因此，蔗糖長距離運(yùn)輸以及庫強(qiáng)的限制可能是導(dǎo)致作物增產(chǎn)有限的重要限制因素。

如前所述，蔗糖的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸由2 類重要的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET 和SUT蛋白控制。其中，SWEET蛋白被認(rèn)為是蔗糖濃度梯度依賴的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在質(zhì)外體運(yùn)輸途徑中控制著關(guān)鍵的第1 步轉(zhuǎn)運(yùn)。而SWEET 蛋白家族C 末端在調(diào)控SWEET 蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性中可能具有重要功能，其序列保守性差，暗示著其在進(jìn)化上歧化程度高。基于SWEET 的分子進(jìn)化提升其轉(zhuǎn)運(yùn)能力，可能帶來蔗糖運(yùn)距離運(yùn)輸速率的提高，以及顯著的作物增產(chǎn)。

在整個蔗糖源、庫、流中，參與其中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和關(guān)鍵酶等重要成分在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后以及蛋白水平可能受到多方面的嚴(yán)格調(diào)控，以維持糖的源、庫、流在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)態(tài)[2]。因此，研究這些關(guān)鍵成分的分子調(diào)控機(jī)制，對于擴(kuò)寬對源庫流的認(rèn)識，通過操縱源庫流進(jìn)行分子設(shè)計育種具有重要的理論意義。