植物SWEET基因家族的研究進(jìn)展

黃 成，李旭楠，李詩燕，王錦達(dá)

（福建農(nóng)林大學(xué)國家甘蔗工程技術(shù)研究中心，福州 350002）

0 引言

糖是植物體內(nèi)一類重要的有機(jī)物，其含量約占植物干重的50%以上，植物中的糖通常可分為可溶性糖和不溶性糖，可溶性糖包括葡萄糖、蔗糖、麥芽糖等；不溶性糖包括淀粉、纖維素等[1]。植物通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為可利用糖源，通過長距離運(yùn)輸?shù)竭_(dá)庫組織進(jìn)行儲存或利用。糖對植物的生長發(fā)育起著重要作用，不僅作為能源物質(zhì)維持植物自身基礎(chǔ)代謝生命活動，另外糖的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)分配以及代謝過程，也溝通了蛋白質(zhì)的合成、脂類的合成等[2-4]。并且糖還作為植物細(xì)胞中的溶質(zhì)，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞中溶液滲透壓進(jìn)而影響氣孔開關(guān)等活動[5-6]。此外，植物中的糖還是重要的信號分子，可以通過影響生長素的運(yùn)輸和分布來調(diào)節(jié)子葉的伸長和生長[7]。但植物并不能通過膜內(nèi)外的濃度梯度差吸收糖分，必須借助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成糖分的運(yùn)輸及生物代謝。SWEET蛋白的發(fā)現(xiàn)恰好解釋了糖分轉(zhuǎn)運(yùn)模式，研究表明SWEET轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以促進(jìn)糖類順濃度梯度擴(kuò)散以及調(diào)控植物體內(nèi)糖類化合物的運(yùn)輸[8-10]。

已有的研究表明，SWEET基因在自然界生物中的存在范圍極廣，在多種植物中如擬南芥、木薯、桉樹等以及動物中均已被發(fā)現(xiàn)，例如秀麗隱桿線蟲、高等生物人和小鼠等[11]。在植物細(xì)胞中有3個基因家族編碼的蛋白在糖分的轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中起著重要的作用：單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Monosaccharide transporters，MSTs)，蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體/蔗 糖 載 體 (Sucrose transporters，/Sucrose carriers，SUT)和雙向糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Sugars will eventually be exported transporters，SWEET)[12]。其中MSTs和SUT 2個糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因家族在過去已經(jīng)得到了廣泛的研究。本研究圍繞SWEET基因編碼蛋白結(jié)構(gòu)，以及其在植物中參與的生物學(xué)功能進(jìn)行總結(jié)，為進(jìn)一步研究SWEET基因在動植物中的其他結(jié)構(gòu)的生物學(xué)功能提供理論指導(dǎo)。

1 SWEET蛋白結(jié)構(gòu)特征與糖分轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

1.1 SWEET蛋白結(jié)構(gòu)特征

SWEET蛋白是通過葡萄糖熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET)傳感器鑒定出的一個不依賴環(huán)境pH，只利用細(xì)胞內(nèi)外濃度差實(shí)現(xiàn)糖跨越細(xì)胞膜濃度梯度運(yùn)輸?shù)囊活惖鞍譡13]。植物中的SWEET蛋白屬于MtN3-like大族中的MtN3/saliva蛋白家族，在原核生物中的SWEET具有1個保守的MtN3/saliva跨膜結(jié)構(gòu)，其中含有3個跨膜螺旋。真核生物具有的2個保守的MtN3/saliva跨膜結(jié)構(gòu)（含7個跨膜螺旋）（圖1-A）由原核生物3個跨膜的MtN3/saliva結(jié)構(gòu)域發(fā)生了復(fù)制形成，由此來承擔(dān)更復(fù)雜的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)(圖1-B)[13]。而真核生物中的7次跨膜螺旋則是由2個3-TMs和1個TM相互連接形成，3-TMs則是SWEET蛋白中心保守性較低的單個跨膜α-螺旋(α-helical transmembrane domain，TMs)，連接分別位于SWEET蛋白N端和C端的相對保守的2個重復(fù)的具有3次跨膜α-螺旋構(gòu)成的[14]。因此，SWEET蛋白的結(jié)構(gòu)的差異性使得其在不同物種間行使著不同的生物學(xué)功能。

圖1 SWEET基因家族結(jié)構(gòu)模型[15]

1.2 SWEET蛋白糖分轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理與葉片中糖轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

水稻OsSWEET2b和大腸桿菌E.coil的SWEET結(jié)晶構(gòu)象研究表明SWEET蛋白都通過形成底物結(jié)合口袋，并在相應(yīng)位點(diǎn)氨基酸的協(xié)助下，實(shí)現(xiàn)糖的結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)[16]。其中在水稻OsSWEET2b蛋白中2個高度保守的天冬酰胺殘基對底物結(jié)合起了重要作用，此外TM2的半胱氨酸、TM6的苯丙氨酸也是OsSWEET2b形成糖轉(zhuǎn)運(yùn)功能的關(guān)鍵位點(diǎn)。在擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)，擬南芥中的SWEET蛋白TM1、TM2、TM5和TM6 4個結(jié)構(gòu)域中的脯氨酸通過改變蛋白構(gòu)象（終止螺旋或誘導(dǎo)彎曲）從而實(shí)現(xiàn)蛋白對糖的結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)，缺少任何一個結(jié)構(gòu)中的脯氨酸都會導(dǎo)致蛋白失去活性[16]。盡管已有的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在一定程度上解釋了SWEET蛋白糖轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，但目前對于SWEET蛋白是如何結(jié)合糖分以及轉(zhuǎn)運(yùn)糖分的詳細(xì)機(jī)制還沒有得到非常具體清晰的闡述，在未來我們要進(jìn)一步分析SWEET蛋白的三維結(jié)構(gòu)，才有可能對SWEET蛋白的糖分轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制有更詳細(xì)的了解。

在葉片中，葉肉細(xì)胞合成的蔗糖通過胞間連絲進(jìn)入韌皮部薄壁細(xì)胞，位于韌皮部薄壁細(xì)胞質(zhì)膜上的SWEET蛋白將蔗糖外排到韌皮部外質(zhì)。篩管(SE)-伴胞(CC)復(fù)合體質(zhì)膜上的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(SUTs)從外質(zhì)體攝取蔗糖，從而將蔗糖濃縮進(jìn)入篩管中，進(jìn)行下一步的糖分轉(zhuǎn)移與再分配[（8]圖2）。

圖2 葉片中糖分轉(zhuǎn)運(yùn)模型[8]

2 SWEET基因家族在植物中的生物學(xué)功能

表1 不同植物SWEET基因研究進(jìn)展

續(xù)表1

由于SWEET蛋白在原核與真核生物中的組成結(jié)構(gòu)不同，使得SWEET蛋白在不同物種中行使著不同的功能?？傮w而言SWEET基因主要參與了糖分轉(zhuǎn)運(yùn)、生殖生長、營養(yǎng)生長以及抗逆脅迫過程。

2.1 SWEET參與植物生長發(fā)育過程

2.1.1 參與糖分轉(zhuǎn)運(yùn) 植物通過光合作用合成的糖原，主要以蔗糖的形式完成糖分的長距離運(yùn)輸。而植物有機(jī)物質(zhì)的長距離運(yùn)輸主要通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進(jìn)行，蔗糖可以通過質(zhì)外體的途徑向韌皮部進(jìn)行擴(kuò)散也可以通過共質(zhì)體途徑利用細(xì)胞胞間連絲進(jìn)入韌皮部質(zhì)外體[15]。而蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白只能協(xié)助蔗糖從篩管-伴胞復(fù)合體外轉(zhuǎn)運(yùn)到篩管-伴胞復(fù)合體內(nèi)，但不能負(fù)責(zé)蔗糖從韌皮部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到篩管-伴胞復(fù)合體分子附近[28]。如何實(shí)現(xiàn)蔗糖向韌皮部薄壁細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)成為蔗糖質(zhì)外體途徑能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。定位在擬南芥葉片細(xì)胞質(zhì)膜上的AtSWEET11和AtSWEET12蛋白的發(fā)現(xiàn)首次證明了SWEET蛋白在糖分轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的重要作用，AtSWEET11和AtSWEET12在葉片中的高表達(dá)表明其能夠協(xié)助糖分轉(zhuǎn)運(yùn)到篩管-伴胞復(fù)合體分子附近，從而實(shí)現(xiàn)蔗糖質(zhì)外體途徑的轉(zhuǎn)運(yùn)，并且在高光條件下AtSWEET11/12蛋白突變株的葉子中出現(xiàn)了淀粉和糖積累現(xiàn)象[19]。隨后發(fā)現(xiàn)的OsSWEET11在水稻韌皮部中特異性表達(dá)，也表明該蛋白可能參與了蔗糖在韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。另外，玉米ZmSWEET10a基因表達(dá)分析顯示，其對授粉后糖的輸出起關(guān)鍵作用并且在玉米維管束鞘細(xì)胞的特異性高表達(dá)，也表明了SWEET蛋白可能參與了韌皮部糖分轉(zhuǎn)運(yùn)的過程[43]；同樣的結(jié)論在缺失ZmSWEET13a/b/c的突變體上也得到了印證，ZmSWEET13a/b/c突變體缺失玉米光合作用受損，葉片積累了大量的淀粉和可溶性糖，影響了蔗糖在韌皮部的裝載[44]。

雖然大部分的SWEET蛋白都主要行使著轉(zhuǎn)運(yùn)蔗糖的作用，但目前發(fā)現(xiàn)也存在少部分SWEET蛋白參與了果糖等單糖的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。如擬南芥AtSWEET17在根和葉的液泡膜上表達(dá)，通過轉(zhuǎn)運(yùn)果糖來維持根部胞質(zhì)果糖穩(wěn)態(tài)；AtWEET17的同系物AtSWEET16也可能具有果糖轉(zhuǎn)運(yùn)功能，研究發(fā)現(xiàn)AtSWEET16主要在根系液泡中表達(dá)，果糖過量作用下突變體的根系生長抑制現(xiàn)象表明AtSWEET16通過調(diào)節(jié)液泡中果糖含量維持胞質(zhì)穩(wěn)態(tài)[31]。相信隨著被挖掘SWEET蛋白數(shù)量的增多，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步明晰，SWEET蛋白更多糖分轉(zhuǎn)運(yùn)功能將被發(fā)現(xiàn)。

2.1.2 影響根、莖、葉生長發(fā)育 糖在根系的生長發(fā)育中起著重要的作用，光合作用產(chǎn)生的糖經(jīng)過長距離運(yùn)輸?shù)竭_(dá)根系，進(jìn)而參與根系的生長發(fā)育，葡萄糖可作為關(guān)鍵營養(yǎng)信號分子促進(jìn)根尖分生組織活性，蔗糖可促進(jìn)根伸長和激活根分生組織[58]。糖還可與激素作用調(diào)控主根的生長發(fā)育[59]。Chen[19]等首次發(fā)現(xiàn)擬南芥AtSWEET4參與了植物根的生長，證實(shí)了SWEET蛋白在植物根系生長上起著重要作用。隨后發(fā)現(xiàn)的AtSWEET16/17蛋白再次證明SWEET蛋白在根系生長發(fā)育中的作用[31]。在水稻中發(fā)現(xiàn)OsSWEET14基因突變會導(dǎo)致水稻側(cè)根生長發(fā)育受到一定影響[39]。另外，在藥用植物鐵皮石斛中也發(fā)現(xiàn)SWEET蛋白在根系中起著明顯作用，DoSWEET11基因在石斛根中高效表達(dá)，意味著其可能主要參與了根中糖分轉(zhuǎn)運(yùn)和貯存[60]。近年來，越來越多的植物中均發(fā)現(xiàn)SWEET基因在根部有表達(dá)，如小麥TaSWEET6基因、木薯MeSWEET基因、馬鈴薯StSWEET5基因等[47,61-62]。

莖作為植物的六大器官之一，參與了植物眾多的生理生化過程。糖是莖在生長發(fā)育過程中必不可少的有機(jī)物質(zhì)，對于以塊莖為收獲產(chǎn)物的植物而言，糖分在莖中的運(yùn)輸儲存則顯得更為重要。路靜等[55]研究發(fā)現(xiàn)蘋果MdSWEET11基因在莖中出現(xiàn)高表達(dá)現(xiàn)象，其表達(dá)量是根的7.5倍，表明MdSWEET11可能參與了蘋果莖的生長和發(fā)育。同樣的結(jié)果在番荔枝中也得到了證實(shí)，番荔枝AT-SWEET16-1基因在莖中的表達(dá)量比其他組織都高，可以推測AT-SWEET16-1在番荔枝莖中具有一定的功能[63]。在塊莖作物馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)StSWEET5基因在莖中有表達(dá)，說明StSWEET5可能參與了馬鈴薯塊莖的形成與膨大過程[62]。在眾多的植物中均發(fā)現(xiàn)了SWEET蛋白在莖中的存在，但均未有較為詳細(xì)清晰的闡述，相信在未來進(jìn)一步挖掘SWEET蛋白的組織表達(dá)特異性的過程中，莖中SWEET蛋白的生物學(xué)功能能夠得到更為詳細(xì)的闡述。

SWEET基因家族也參與了葉片的生長發(fā)育。Seo等[29]研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥SAG29(AtSWEET15)基因在衰老的葉片中轉(zhuǎn)錄水平顯著提高，高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株出現(xiàn)了加速衰老現(xiàn)象，但T-DNA插入基因突變體與野生型植物的表型差異并不明顯，說明SAG29(AtSWEET15)沒有直接參與葉片衰老的前期過程，而與衰老過程的后續(xù)步驟有關(guān)。Zhou等[34]發(fā)現(xiàn)，水稻OsSWEET5基因編碼的蛋白具有轉(zhuǎn)運(yùn)半乳糖功能，其在衰老的葉片中表達(dá)，過表達(dá)的OsSWEET5基因?qū)е绿谴x及轉(zhuǎn)運(yùn)異常，并且還抑制了生長素信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)和易位，從而導(dǎo)致水稻苗期生長遲緩和早熟早衰。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，敲除OsSWEET5基因的植株并沒有出現(xiàn)明顯的表型變化，說明水稻中可能還有其他糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)半乳糖的功能。目前對于SWEET基因在植物葉片中的功能研究較少，該基因在葉片中的功能還有很大的開發(fā)空間，有沒有可能通過調(diào)節(jié)SWEET基因在葉片中的表達(dá)來延長葉片壽命，進(jìn)一步提高葉片的光合作用時間及光能利用率從而有效增產(chǎn)增收等等的一些列可能的猜想，都有待科學(xué)家的進(jìn)一步深入研究去驗(yàn)證。

2.1.3 參與花、果實(shí)、種子的生長發(fā)育 SWEET基因家族在植物花的生長發(fā)育中發(fā)揮著重要作用，目前SWEET基因在花器官中所起作用研究較為詳細(xì)的2種植物分別為擬南芥和水稻。其中擬南芥中9個SWEET基因都主要在花中表達(dá)：AtSWEET1、AtSWEET4/5、AtSWEET7/8/9、AtSWEET13/14/15。AtSWEET1在花原端和雄蕊原基中有較高的表達(dá)，說明AtSWEET1可能為配體子的發(fā)育提供營養(yǎng)[17]。AtSWEET4在花瓣、花藥和花絲中積累，而不在雌蕊中積累[20]。AtSWEET5在花粉發(fā)育后期的營養(yǎng)細(xì)胞中活躍表達(dá)，表明AtSWEET5（又稱AtVEX1）為花粉的發(fā)育提供營養(yǎng)物質(zhì)[21]。AtSWEET7基因被認(rèn)為是“優(yōu)先基因”在花粉發(fā)育時表達(dá)[22]。AtSWEET8（又稱PRG1）在雄性減數(shù)分裂過程中，在小孢子細(xì)胞（或小孢子）和絨氈層中強(qiáng)烈表達(dá)，是擬南芥小孢子外顯子形成的必須基因。AtSWEET8突變體由于突變微孢子在四分體階段異常，導(dǎo)致小孢子和小室壁上有缺陷的孢粉沉積，并且小孢子細(xì)胞出現(xiàn)破裂和細(xì)胞質(zhì)滲漏現(xiàn)象，最終使得突變體表現(xiàn)為雄性的育性降低[23]。AtSWEET9主要在蜜腺中表達(dá)，SWEET9突變體表現(xiàn)出花蜜分泌受阻現(xiàn)象[24]。ATSWEET13/14主要在雄蕊中表達(dá)，ATSWEET15則主要在花瓣中表達(dá)[28]。在水稻中主要有6個基因在花的不同組織中表達(dá)，分別為OsSWEET1a、OsSWEET2a、OsSWEET3a、OsSWEET5、OsSWEET11、OsSWEET15。其中OsSWEET11基因在水稻中的作用被研究的較為清晰，OsSWEET11突變體小孢子發(fā)育停止在單細(xì)胞花粉粒期，未成熟花粉逐漸退化，導(dǎo)致植株育性降低或者丟失[35]，而其余5個OsSWEET基因則在水稻不同發(fā)育階段的花或圓錐花絮中有較高表達(dá)，表明它們在水稻花的生長發(fā)育階段起著重要作用[33]。除了擬南芥和水稻，其他植物中也存在與植物花的生長發(fā)育過程有關(guān)的SWEET基因。在牡丹中有10個SWEET基因家族成員 (PsSWEET1、PsSWEET2、PsSWEET3、PsSWEET4、PsSWEET5、 PsSWEET6、 PsSWEET7、 PsSWEET8、PsSWEET9、PsSWEET10)調(diào)控著牡丹的開花過程[64]；在高粱中SbSWEET4-1和SbSWEET4-2主要在花序中表達(dá)，SbSWEET9-3與AtSWEET8在同一進(jìn)化支，推測其在花粉中糖分運(yùn)輸和花粉發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[65]。除此之外，在大豆、煙草和毛竹等物種中也存在相關(guān)的SWEET基因[66-68]。

糖是果實(shí)積累的主要營養(yǎng)物質(zhì)，果實(shí)的成熟度與其內(nèi)部的糖含量有著密切關(guān)系，糖也是果實(shí)的口感風(fēng)味和商品價值的重要指標(biāo)。SWEET作為雙向糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能參與了果實(shí)發(fā)育和成熟階段的糖分轉(zhuǎn)運(yùn)工作。王梓然等[69]研究發(fā)現(xiàn)在葡萄果實(shí)發(fā)育的Ⅰ期、Ⅲ期有9個SWEET基因家族成員的參與，其中有2個主要參與糖分的轉(zhuǎn)運(yùn)，分別是定位在質(zhì)膜上的VvSWEET10和液泡膜上的VvSWEET16，二者基因的表達(dá)量從Ⅰ期到Ⅲ期都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的上升現(xiàn)象。番茄中的SISWEET7a基因在綠熟期果柄、果實(shí)維管束相對表達(dá)量最高，說明其對果實(shí)發(fā)育起著調(diào)控作用[70]。同樣的結(jié)果也出現(xiàn)在番荔枝作物中，番荔枝ATSWEET16-1基因在成熟果的果柄部位中表達(dá)量最高，也說明該基因在番荔枝果實(shí)的發(fā)育階段起到一定作用[63]。此外在甜橙、蘋果植物中SWEET基因家族中也發(fā)現(xiàn)有許多有果實(shí)發(fā)育有關(guān)的基因[53,71]。

種子的生長不僅需要氧氣、水分、溫度，還需要充分的營養(yǎng)物質(zhì)。在大豆中發(fā)現(xiàn)6個基因在大豆種子中出現(xiàn)高表達(dá)，其中GmSWEET12和GmSWEET21在種子中的表達(dá)量甚至超過了花梗和豆莢中的表達(dá)量之和 ， GmSWEET5、 GmSWEET10、 GmSWEET23、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[45]。擬南芥AtSWEET11和AtSWEET12在質(zhì)膜中大量表達(dá)，這可能與SWEET蛋白的糖轉(zhuǎn)運(yùn)功能有關(guān)系，將種皮中的蔗糖運(yùn)輸?shù)脚呓M織，從而促進(jìn)種子的萌發(fā)和發(fā)育。AtSWEET11也被檢測到參與種皮糖的運(yùn)輸和種子發(fā)育[25]。在高粱中SbSWEET2-1和SbSWEET7-1與水稻SWEET11在同一進(jìn)化分支，參考OsSWEET11基因的功能，推測SbSWEET2-1和SbSWEET7-1在高粱種子發(fā)育過程具有重要作用[57]。另外，在豌豆中也發(fā)現(xiàn)相應(yīng)SWEET基因參與種子的萌發(fā)和發(fā)育[28]。

2.2 SWEETs參與響應(yīng)各種脅迫應(yīng)答

2.2.1 SWEETs參與響應(yīng)各種生物脅迫應(yīng)答 大部分病原物、害蟲、雜草等的主要能量物質(zhì)都是糖，植物與生物脅迫在互作的過程中，植物常常通過上調(diào)或者下調(diào)SWEET基因表達(dá)量從而調(diào)控體內(nèi)糖分含量，以應(yīng)對各種生物脅迫。目前，水稻中的SWEET基因在生物脅迫過程所起作用被研究的較為透徹。水稻OsSWEET11基因可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平，從未促進(jìn)或抑制白葉枯病菌的生長。當(dāng)白葉枯病菌侵染水稻時，該細(xì)菌會通過T3分泌系統(tǒng)分泌TALES轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)子，隨后TALES激活因子與SWEET基因上游啟動子順式作用原件結(jié)合，從而調(diào)控靶標(biāo)基因SWEET的表達(dá)，促進(jìn)糖向白葉枯菌中轉(zhuǎn)移，引起病情加重[28,72]。此外，李麗等[72]研究發(fā)現(xiàn)，白葉枯病菌non-TALE效應(yīng)子XopN對病菌促進(jìn)OsSWEET11基因的表達(dá)起到促進(jìn)作用。OsSWEET14與OsSWEET11具有同源性，抑制OsSWEET14的表達(dá)可以提高植物對白葉枯病的抗性[40]。同樣的結(jié)果在抑制OsSWEET11表達(dá)時也得到了證實(shí)，并且通過抑制OsSWEET11的表達(dá)還可以提高水稻對條紋枯病的抗性[36-37]。除了水稻之外，甜橙CsSWEET1基因可被細(xì)菌性潰瘍病菌TAL轉(zhuǎn)錄激活因子誘導(dǎo)表達(dá)；葡萄VvSWEET4能夠與灰霉病菌相互作用；辣椒中SWEET基因(UPA16)受細(xì)菌性瘡痂病菌誘導(dǎo)表達(dá)量上升[38,73-74]。另外在擬南芥中也存在響應(yīng)病菌脅迫的8個SWEET基因[15]。不僅如此，植物在受害蟲侵害時，植物體內(nèi)SWEET基因也存在表達(dá)量變化的現(xiàn)象。擬南芥植物受到南方根結(jié)線蟲侵染時，擬南芥植物體內(nèi)的多個SWEET基因出現(xiàn)表達(dá)量變化[75]；西紅柿葉片受到根際線蟲侵染時，SWEETs基因出現(xiàn)明顯的上調(diào)[76]。目前SWEET基因參與響應(yīng)病原物脅迫的研究大部分還只停留于基本表達(dá)量水平，至于SWEET基因或蛋白是如何、在哪里調(diào)控糖分轉(zhuǎn)運(yùn)、什么時候開始調(diào)控，怎么調(diào)控等一系列的問題還有待進(jìn)一步的研究。

2.2.2 SWEETs參與響應(yīng)各種非生物脅迫應(yīng)答 植物在逆境條件下，往往會通過提高體內(nèi)糖含量，來降低體內(nèi)滲透壓；或是通過調(diào)節(jié)糖分轉(zhuǎn)移再分配，維持滲透壓的平衡，以安全度過逆境。SWEET作為重要的糖分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在許多植物中都發(fā)現(xiàn)這類基因?qū)Ψ巧锩{迫有響應(yīng)。

干旱環(huán)境條件下，作物能夠調(diào)節(jié)其生理生化反應(yīng)降低干旱對其產(chǎn)生的不良影響。SWEET基因家族成員已被證實(shí)是植物對干旱脅迫機(jī)制的一部分。擬南芥AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15在干旱脅迫條件下，三者在葉片中的表達(dá)量上調(diào)，提高蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)效率，促進(jìn)糖向根系轉(zhuǎn)移，從而降低根系滲透壓，提高根系吸水量[26]。小麥TaSWEET6基因在干旱脅迫條件下表達(dá)量上調(diào)[61]；青扦PwSWEET1在受到干旱脅迫下表達(dá)量也出現(xiàn)顯著上調(diào)[77]。不僅如此，在耐旱植物木薯中也發(fā)現(xiàn)相關(guān)SWEET基因表達(dá)量也存在上調(diào)現(xiàn)象[47]。

高鹽環(huán)境下植物的滲透壓平衡被打破，植物會出現(xiàn)吸水困難現(xiàn)象，最后萎蔫死亡。不僅如此，鹽脅迫會嚴(yán)重破壞植物光合器官結(jié)構(gòu)，葉綠體類囊體膜膨脹、基粒消失且出現(xiàn)巨型淀粉粒，葉綠體結(jié)構(gòu)遭破環(huán)，相關(guān)酶失活等等不良反應(yīng)[78]。已有的研究表明，擬南芥AtSWEET15受高鹽誘導(dǎo)，過表達(dá)的AtSWEET15會使植物對鹽脅迫更加敏感，并加速葉片衰老[30]。而缺乏AtSWEET15的擬南芥對鹽分脅迫不敏感。此外，擬南芥中異源表達(dá)尖葉石竹DsSWEET12和DsSWEET17，可以提高果糖和葡萄糖的積累量，并且提高對鹽脅迫[79-80]。定位在液泡膜上的蘋果MdSWEET1在番茄中異源表達(dá)，鹽脅迫下，轉(zhuǎn)基因番茄中積累了更多的可溶性糖，表明MdSWEET1基因可以通過調(diào)節(jié)糖的積累從而提高植物的耐鹽能力[55]。在其他植物中也存在鹽脅迫下，SWEET基因表達(dá)量上調(diào)的現(xiàn)象，如桉樹中EgSWEET，油菜中 BrSWEET11-LF和 BrSWEET17-MF1，棉花中GhSWEET1a-at/Dt、GhSWEET1b-at/Dt等等[12,51,81]。

溫度脅迫是限制植物生長發(fā)育的主要原因之一，低溫/高溫條件下都會影響植物光合酶的活性、水分代謝、呼吸作用等。為了應(yīng)對不同的環(huán)境限制，就必須準(zhǔn)確調(diào)控液泡中糖的儲存和運(yùn)輸。擬南芥AtSWEET16和AtSWEET17是控制葉片和根內(nèi)葡萄糖和果糖含量的主要因素，在寒冷脅迫下出現(xiàn)組成型過表達(dá)，過表達(dá)的AtSWEET16會增強(qiáng)植物的抗凍性，這可能是由于液泡中積累了更多的可溶性糖而導(dǎo)致的[32]。擬南芥AtSWEET11和AtSWEET12可以通過促進(jìn)糖向次生在、木質(zhì)部轉(zhuǎn)移為此次細(xì)胞壁提供更多營養(yǎng)，進(jìn)而提高擬南芥對低溫的耐性[27]。在花卉植物萱草中也發(fā)現(xiàn)SWEET參與響應(yīng)低溫脅迫，定位在細(xì)胞膜上的萱草HfSWEET2a在低溫誘導(dǎo)下出現(xiàn)了高表達(dá)[82]。不僅如此，在木本植物茶樹中也存在響應(yīng)低溫脅迫的SWEET基因，茶樹中CsSWEET1和CsSWEET17在低溫下表達(dá)量急劇增加，CsSWEET2、CsSWEET3、CsSWEET16表達(dá)量下調(diào)[50]。SWEET基因不僅參與了低溫脅迫應(yīng)答的響應(yīng)，也參與了高溫脅迫應(yīng)答的響應(yīng)。高溫脅迫下，水稻葉片中的OsSWEET2a表達(dá)量有著明顯的變化[83]。種種現(xiàn)象都表明SWEET基因在植物響應(yīng)高/低溫逆境下發(fā)揮了重要作用，但具體的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步的研究。

激素在植物生長過程中發(fā)揮著重要作用，例如適宜濃度的ABA能夠促進(jìn)馬鈴薯形成塊莖、抑制植物生長等等；GA能夠促進(jìn)莖的生長、促進(jìn)節(jié)間伸長等，但過高濃度的激素往往會起反作用。目前已有的研究表明SWEET基因參與了激素脅迫的應(yīng)答。在甘蔗中，ABA脅迫下，ShSWEET2a基因在24 h出現(xiàn)了明顯上調(diào)，這可能與其上游啟動子中相應(yīng)ABA的順式作用元件相關(guān)[12]。ABA脅迫處理下，小麥TaSWEET6基因表達(dá)量也出現(xiàn)了上調(diào)[78]。

在不同的逆境脅迫下，SWEET基因均出現(xiàn)了不同的應(yīng)答反應(yīng)，未來我們要進(jìn)一步深入研究SWEET對逆境響應(yīng)地機(jī)理，更好地將SWEET基因應(yīng)用于育種，從根本上解決不良環(huán)境條件對植物產(chǎn)生的危害。

3 總結(jié)與展望

本研究綜述了目前SWEET基因在植物中的蛋白結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制與部分生物學(xué)功能。SWEET還可以調(diào)控植物離子轉(zhuǎn)運(yùn)（如紫花苜蓿共生根瘤發(fā)育過程MtN3/saliva/SWEET基因在硼/鈣離子平衡中可能發(fā)揮作用）、可能參與植物激素運(yùn)輸（如擬南芥AtSWEET13/14缺失突變體不能轉(zhuǎn)運(yùn)外源赤霉素）[84-85]。但是這些功能的研究僅在個別植物中有所報道，是否與植物特異性有關(guān)，有待未來進(jìn)一步研究闡明。

SWEET蛋白作為植物中一類重要的糖分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與了植物生長發(fā)育中的多個生理過程。目前的研究層面多數(shù)還只是集中在理論層面，對于實(shí)踐層面的研究還有待加強(qiáng)。并且目前對于SWEET基因家族的挖掘、鑒定也僅限于幾種模式植物，對于SWEET蛋白的鑒定和功能分析還需要大量的工作來闡明。未來需要綜合運(yùn)用各種現(xiàn)代研究手段，研究SWEET基因在植物營養(yǎng)生長、生殖生長、抗逆過程中的分子機(jī)制為分子育種提供良好基因資源，最終服務(wù)品種選育工作。