SWEET蛋白在植物生長發(fā)育中的功能作用研究進展

張計育, 王 剛, 王 濤, 賈展慧, 宣繼萍

〔江蘇省中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園) 江蘇省植物資源研究與利用重點實驗室, 江蘇 南京 210014〕

糖作為高等植物能量儲備和其他有機化合物的組成部分,是植物生長發(fā)育以及生物和非生物脅迫反應(yīng)相關(guān)的信號分子[1]。明確糖的合成和消耗以及細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)糖的轉(zhuǎn)運機制是植物性狀改良的關(guān)鍵[2]。光合產(chǎn)物從源葉到庫組織的運輸是植物源庫平衡的一個基本特征,需要通過共質(zhì)體和質(zhì)外體的韌皮部負(fù)載機制完成。蔗糖是許多植物光合作用的主要產(chǎn)物,蔗糖在細(xì)胞間轉(zhuǎn)運是由質(zhì)外體途徑(由質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白從一個細(xì)胞輸出,隨后由另一個轉(zhuǎn)運蛋白輸入到相鄰細(xì)胞)或通過胞間連絲的共質(zhì)體途徑轉(zhuǎn)運[3]。長距離運輸蔗糖從源葉到各種庫組織可促進新葉、根、花、果實和種子等器官的發(fā)育,因此提高蔗糖從源葉到庫組織的運輸效率,尤其是果實和種子中的卸載效率是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵[4-5]。種子中糖的輸入直接決定種子大小,種子填充與作物產(chǎn)量密切相關(guān),研究作物種子填充機制對品種改良至關(guān)重要。

糖轉(zhuǎn)運蛋白是植物體運輸途徑的關(guān)鍵組成部分,包括3種關(guān)鍵類型,分別為單糖轉(zhuǎn)運蛋白(monosaccharide transporter,MST)、蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白(sucrose transporter,SUT)和SWEET(sugar will eventually be exported transporter)[6-7]。在玉米(ZeamaysLinn.)、擬南芥〔Arabidopsisthaliana(Linn.) Heynh.〕和馬鈴薯(SolanumtuberosumLinn.)等植物中,通過質(zhì)外體韌皮部裝載途徑,蔗糖利用SWEET蛋白從韌皮部薄壁組織細(xì)胞輸出細(xì)胞質(zhì),進入質(zhì)外體/細(xì)胞壁空間,通過SUT蛋白將蔗糖裝載進入篩分子-伴侶細(xì)胞復(fù)合體,轉(zhuǎn)運到庫組織[8]。SWEET和SUT蛋白在庫組織中同樣具有卸載功能[9-10]。

SWEET蛋白是近年來被鑒別較多的糖轉(zhuǎn)運蛋白之一,存在于所有的生物體中。SWEET蛋白在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮不同的生理作用,例如:控制植物生長和防御,促進蔗糖從源到庫的長距離轉(zhuǎn)運,參與營養(yǎng)生長、繁殖、衰老、生物和非生物應(yīng)激反應(yīng)[8,11-14]。對植物SWEET基因進行遺傳轉(zhuǎn)化可以改良光合產(chǎn)物的分配,增加產(chǎn)量,增強對病原菌的抗性。本文系統(tǒng)綜述了SWEET蛋白在植物生長發(fā)育過程中的功能作用機制。

1 SWEET蛋白的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和分類

隨著基因組測序技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多植物的參考基因組得以公布,與此同時,物種中的SWEET蛋白得到快速鑒定。SWEET蛋白在植物、動物和微生物中廣泛存在,為定位于膜結(jié)構(gòu)的糖轉(zhuǎn)運蛋白,屬于MtN3家族[15]。SWEET蛋白通常包含7個跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD),其中包含2個MtN3/saliva結(jié)構(gòu)域(PFAM代碼PF0383)。植物中的SWEET蛋白可分為4類(表1),其中,擬南芥有17個SWEET蛋白,第Ⅰ類含有3個SWEET蛋白(SWEET1、SWEET2和SWEET3),第Ⅱ類含有5個SWEET蛋白(SWEET4、SWEET5、SWEET6、SWEET7和SWEET8),第Ⅳ類含有2個SWEET蛋白(SWEET16和SWEET17),這3類主要轉(zhuǎn)運己糖;第Ⅲ類含有7個SWEET蛋白(SWEET9、SWEET10、SWEET11、SWEET12、SWEET13、SWEET14和SWEET15),主要轉(zhuǎn)運蔗糖[11,16]。不同SWEET蛋白位于不同的細(xì)胞區(qū)室,SWEET1、SWEET8、SWEET9、SWEET11、SWEET12和SWEET15主要位于細(xì)胞質(zhì)膜,SWEET2、SWEET16和SWEET17主要位于液泡膜[16]。其他植物的SWEET蛋白根據(jù)擬南芥進行分類和命名。同一類SWEET蛋白在不同植物中存在差異,如香蕉(MusaacuminataColla)SWEET蛋白第Ⅰ類中缺少SWEET3,第Ⅱ類中缺少SWEET5和SWEET8,第Ⅲ類中僅含有SWEET14,且SWEET14有10個同源蛋白,分別為SWEET14a、SWEET14b、SWEET14c、SWEET14d、SWEET14e、SWEET14f、SWEET14g、SWEET14h、SWEET14i和SWEET14j[17]。

2 SWEET蛋白家族成員擴張與進化

2.1 SWEET蛋白家族成員擴張

多倍體在植物進化過程中起著至關(guān)重要的作用,許多被子植物都經(jīng)歷過1次或多次多倍體化,從而導(dǎo)致基因家族成員擴張[30]。植物平均含有20個SWEET基因,而大豆(GlycinemaxLinn.)中含有52個,大豆至少經(jīng)歷了3次全基因組復(fù)制,約75%的基因存在多個拷貝[30-31],GmSWEET4、GmSWEET5、GmSWEET6、GmSWEET7和GmSWEET8組成的SWEET基因簇與GmSWEET13、GmSWEET14、GmSWEET15、GmSWEET16和GmSWEET17組成的SWEET基因簇在4號和6號染色體之間串聯(lián)重復(fù),5號和8號染色體以及8號和18號染色體之間也存在類似串聯(lián)重復(fù)簇[32]。毛果楊(PopulustrichocarpaTorr. et A. Gray ex Hook.)同樣經(jīng)歷了至少3次全基因組復(fù)制事件,隨后是片段復(fù)制和串聯(lián)復(fù)制事件[33]。楊樹(Populussp.)SWEET基因經(jīng)歷了11次復(fù)制事件,包括6個串聯(lián)復(fù)制事件和5個全基因組復(fù)制事件,第Ⅰ、第Ⅲ和第Ⅳ類SWEET基因存在片段重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)[28]。大麥(HordeumvulgareLinn.)中有2對片段重復(fù)(HvSWEET1a/b和HvSWEET11a/b)和2對串聯(lián)重復(fù)(HvSWEET6a/b和HvSWEET15b/c)[20]。玉米含有5對片段重復(fù)和1對串聯(lián)重復(fù),粱〔Setariaitalica(Linn.) Beauv.〕、水稻(OryzasativaLinn.)和高粱〔Sorghumbicolor(Linn.) Moench〕分別含有7、4和4對片段重復(fù)[27]。異源六倍體小麥含有105個SWEET基因成員,這可能與巨大的基因組、高度重復(fù)的基因組序列以及包含3個密切相關(guān)的亞基因組有關(guān)[34]。Patil等[32]的研究結(jié)果顯示:25種植物基因組的411個SWEET基因中有56個串聯(lián)基因和95個片段重復(fù),且其中72個SWEET基因同時存在串聯(lián)和片段重復(fù)。這些研究結(jié)果表明:隨著染色體加倍、片段復(fù)制和串聯(lián)復(fù)制等,SWEET基因在物種中得到了擴張。

2.2 SWEET蛋白家族成員進化

2.2.1 參與物種馴化改良 玉米基因組含有3個SWEET4同源基因,而水稻基因組中僅有1個SWEET4基因,推測玉米和水稻的SWEET4基因是從二者共同祖先中的某一個基因進化而來[35]。玉米ZmSWEET4c和水稻OsSWEET4蛋白轉(zhuǎn)運己糖,促進胚乳發(fā)育和種子填充,SWEET4蛋白是玉米和水稻馴化過程中選擇的目標(biāo)位點[35-36]。大豆GmSWEET39基因組區(qū)域含有3個明顯變異,其中位于第6個外顯子上的CC插入缺失是導(dǎo)致種子中油脂和蛋白質(zhì)含量變化的主要等位基因,CC缺失導(dǎo)致GmSWEET39基因少了19個氨基酸[37]。大豆GmSWEET39基因中CC存在(CC+)品種種子的油脂含量低而蛋白質(zhì)含量高,而GmSWEET39基因中CC缺失(CC-)品種種子的油脂含量高而蛋白質(zhì)含量低[37]。由此可見,大豆GmSWEET39基因的自然變異和選擇影響其種子中油脂和蛋白質(zhì)含量。在大豆改良和馴化過程中,GmSWEET39(CC-)同源基因的選擇可用于培育高油品種,GmSWEET39(CC+)同源基因的選擇可用于培育高蛋白品種[38]。這些結(jié)果說明SWEET蛋白在植物引種馴化改良過程中起著積極作用。

2.2.2 參與植物蜜腺進化 花蜜是介導(dǎo)植物與動物之間相互作用的一種主要獎勵媒介,蜜腺經(jīng)歷了多次進化[39]。茄目(Solanales)植物有雌蕊蜜腺,而十字花目(Cruciales)植物通常有雄蕊外蜜腺和雄蕊內(nèi)蜜腺。推測SWEET9蛋白在核心真雙子葉植物進化的早期出現(xiàn),或者是在菊分支(Asterids)和薔薇分支(Rosids)中被獨立用于雌蕊以及雄蕊內(nèi)和雄蕊外的蜜腺功能[40]。系統(tǒng)進化研究結(jié)果表明:SWEET9蛋白與核心真雙子葉植物進化吻合,大約出現(xiàn)在1.2億年前[41]。SWEET9蛋白是擬南芥(雄蕊外蜜腺)、蔓菁(BrassicarapaLinn.)(雄蕊外蜜腺)和漸狹葉煙草(NicotianaattenuateTorr. ex S. Watson)(雌蕊蜜腺)3種雙子葉植物蜜腺特異性糖轉(zhuǎn)運蛋白[40]。水稻、玉米和大麥的花是風(fēng)媒花,無蜜腺,缺少SWEET9蛋白[40]。毛果楊的花也是風(fēng)媒花,缺少功能花內(nèi)蜜腺,具有花外蜜腺,含SWEET9和SWEET10同源基因,且毛果楊花外蜜腺富含己糖[42],這些花外蜜腺具有吸引螞蟻抵抗其他昆蟲的作用[43]。招募SWEET9蛋白用于蔗糖輸出是植物的一個“關(guān)鍵創(chuàng)新”,有助于花蜜分泌的進化,以獎勵傳粉者。由此可見,SWEET9蜜腺特異性糖轉(zhuǎn)運蛋白參與植物蜜腺進化。

2.2.3 參與赤霉素(GA)轉(zhuǎn)運活性的進化 在植物進化過程中,SWEET蛋白的GA轉(zhuǎn)運活性形成是獨立和偶然的。水稻OsSWEET3a蛋白和高粱SbSWEET3a蛋白從葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白進化而來,而擬南芥AtSWEET13和AtSWEET14蛋白從蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白進化而來,這些蛋白質(zhì)在進化過程中被賦予GA轉(zhuǎn)運活性,參與植物生長發(fā)育過程,ossweet3a突變體植株的種子發(fā)芽和莖早期生長受影響,atsweet13和atsweet14突變體植株的種子發(fā)育、秧苗早期發(fā)育和花藥發(fā)育受影響[44-45]。外源GA1和GA20處理可以部分恢復(fù)ossweet3a敲除突變體和過量表達植株的表型[45]。

3 SWEET蛋白在營養(yǎng)器官中的功能作用

3.1 在葉片中的功能作用

在番茄(SolanumlycopersicumLinn.)幼葉(庫)中,葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白SlSWEET1a在卸載的葉脈組織中強烈表達,slsweet1a突變體植株中,葡萄糖和果糖在幼葉中顯著減少,在成熟葉片中顯著增加,說明SlSWEET1a蛋白在幼葉(庫)組織從質(zhì)外體攝取葡萄糖到薄壁組織中起重要作用[46]。

蔗糖在成熟葉片葉肉細(xì)胞中合成,SWEET蛋白介導(dǎo)蔗糖流入質(zhì)外體,是質(zhì)外體韌皮部裝載的關(guān)鍵步驟[15]。擬南芥蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白AtSWEET11和AtSWEET12在葉片韌皮部薄壁組織、近端的伴侶細(xì)胞和篩分子中高表達,atsweet11/12雙突變體植株韌皮部裝載蔗糖存在缺陷,限制蔗糖向庫組織中轉(zhuǎn)運,葉片中淀粉和可溶性糖大量積累,導(dǎo)致植株矮化[15]。高粱SbSWEET13a、SbSWEET13b和SbSWEET13c基因在葉片和莖中表達量高,這些基因的表達模式與莖中的蔗糖積累相對應(yīng)[47]。玉米中ZmSWEET13a、ZmSWEET13b和ZmSWEET13c基因在葉鞘和葉脈中表達,zmsweet13a/13b/13c三突變體植株發(fā)育嚴(yán)重不良,韌皮部裝載受損,光合活性降低,葉片中積累較高水平的可溶性糖和淀粉[48]。馬鈴薯StSWEET11蛋白是韌皮部裝載蔗糖的轉(zhuǎn)運中樞,stsweet11突變體植株產(chǎn)量減少,葉片中淀粉和蔗糖積累增加[49]。這些結(jié)果表明SWEET蛋白對源葉中蔗糖的裝載過程起著重要的作用。

高血壓腦出血是神經(jīng)系統(tǒng)常見疾病，主要由高血壓引起，高血壓可導(dǎo)致腦底小動脈病理性改變，表現(xiàn)為小動脈管壁纖維樣變性、局灶性壞死、出血等，可使管壁強度降低，引起局限性擴張，導(dǎo)致微小動脈瘤發(fā)生，在血壓驟然升高時小動脈破裂出血從而引發(fā)高血壓腦出血[1-2]。小骨窗血腫清除術(shù)是以往治療高血壓腦出血的常用術(shù)式，但是該術(shù)式創(chuàng)傷較大，預(yù)后效果不理想，隨著微創(chuàng)技術(shù)的發(fā)展與推廣，早期微創(chuàng)顱內(nèi)血腫清除術(shù)開始在臨床廣泛應(yīng)用，但關(guān)于該術(shù)式治療效果的研究報道較少，還需更多研究深入分析總結(jié)[3-4]。本研究觀察分析早期微創(chuàng)顱內(nèi)血腫清除術(shù)治療高血壓腦出血的臨床療效，現(xiàn)報道如下：

在擬南芥葉片衰老過程中,AtSWEET15基因表達顯著上調(diào),該基因過量表達會加快葉片衰老,表明AtSWEET15蛋白在糖再分配中的作用[50]。白梨(PyrusbretschneideriRehd.)PbSWEET4基因是AtSWEET15基因的同源基因,該基因在野草莓(FragariavescaLinn.)中過量表達會降低葉片中糖和葉綠素含量,加速葉片衰老[51]。

3.2 在莖中的功能作用

水稻OsSWEET3a和OsSWEET3b蛋白位于細(xì)胞質(zhì)膜,在幼苗發(fā)育早期,轉(zhuǎn)運葡萄糖和赤霉素(GA)。OsSWEET3a基因在幼苗期莖基部(冠狀根到盾片上表皮,包括盾片和中胚軸)的表達量最高[45]。與野生型植株相比,OsSWEET3a基因過量表達植株及其敲除突變體T0代植株在表型上均沒有明顯差異,T1代植株表現(xiàn)出發(fā)芽延遲和生長延緩[45]。在水稻幼苗發(fā)育早期,OsSWEET3a和OsGA20ox1基因共表達于莖基部的維管束,說明OsSWEET3a蛋白在幼苗莖基部的維管束中有表達,參與GA20和葡萄糖向幼葉轉(zhuǎn)運,在幼葉中GA20通過OsGA3ox2蛋白轉(zhuǎn)換成有生物活性的GA1,促進幼苗莖的早期發(fā)育[45]。GA20與葡萄糖從胚乳通過中胚軸維管束長距離運輸?shù)饺~原基,有利于水稻幼苗的旺盛生長[45]。

SWEET蛋白通過質(zhì)外體途徑將糖從韌皮部復(fù)合物卸載到庫組織。馬鈴薯StSWEET11蛋白在其匍匐莖和塊莖庫組織的韌皮部伴生細(xì)胞中表達,將蔗糖從庫組織向質(zhì)外體空間轉(zhuǎn)運[52]。因此,在35S:StSWEET11植株莖質(zhì)外體空間中蔗糖的含量高于StSWEET11RNAi植株[49]。馬鈴薯FT(flowering locus T)蛋白StSP6A是塊莖形成必需的蛋白質(zhì),在塊莖形成過程中,該蛋白質(zhì)在匍匐莖根尖和亞根尖分生組織韌皮部表達,并與StSWEET11蛋白相互作用,阻斷蔗糖向質(zhì)外體滲漏,使塊莖中的蔗糖卸載從質(zhì)外體形式轉(zhuǎn)變?yōu)楣操|(zhì)體形式,預(yù)示塊莖形成[52]。這些結(jié)果表明SWEET蛋白與其他蛋白質(zhì)精密協(xié)調(diào),調(diào)控源庫關(guān)系[49]。

3.3 在根系中的功能作用

根系生長和形態(tài)建成受發(fā)育和各種環(huán)境因子的影響。糖是調(diào)節(jié)根系模塊建立的信號分子[53],影響根系的生長發(fā)育[54]。液泡是植物細(xì)胞中最大的細(xì)胞器,主要調(diào)控糖動態(tài)貯藏過程[55]。蔗糖從韌皮部卸載后,水解成葡萄糖和果糖,液泡SWEET蛋白將果糖從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到液泡,果糖是液泡中糖儲藏的主要形式[56],且絕大多數(shù)果糖儲藏在液泡中[57],儲藏在根液泡中的果糖可能是根細(xì)胞生長的重要能量來源,在根伸長區(qū)促進新形成細(xì)胞的迅速擴張并加速細(xì)胞器的成熟[58]。葡萄糖和蔗糖促進初生根的生長,葡萄糖、果糖和蔗糖顯著誘導(dǎo)一級側(cè)根的發(fā)育和生長,其中果糖尤為顯著[53]。但細(xì)胞質(zhì)中高水平的果糖抑制根系生長和幼苗發(fā)育[53,59]。

SWEET蛋白參與根伸長區(qū)生長發(fā)育。SWEET17蛋白在成熟葉片中的表達量相對較低,而在根系中的表達量較高,SWEET17蛋白主要富集在根成熟區(qū)的皮層細(xì)胞。外源果糖和暗處理均可誘導(dǎo)根伸長區(qū)SWEET17蛋白的表達[56]。果糖顯著抑制初生根的生長,與野生型植株相比,質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)1%和2%外源果糖處理顯著抑制sweet17突變體植株初生根生長,sweet17突變體植株表現(xiàn)出對果糖的敏感性[56],限制果糖轉(zhuǎn)運到液泡中,導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中果糖濃度增加[59]。而過量表達SWEET17基因增強了植株對果糖的耐性,說明SWEET17蛋白介導(dǎo)液泡中果糖的攝入,改變SWEET17蛋白的表達影響細(xì)胞內(nèi)果糖的分配,進而影響根系對高濃度果糖的敏感性[56]。低溫脅迫處理24 h誘導(dǎo)野生型植株液泡中果糖含量增加2～10倍[60]。與野生型植株相比較,過量表達SWEET17基因植株葉片中果糖含量降低80%,其他糖含量沒有明顯變化。說明SWEET17蛋白參與液泡中果糖的輸出[56],位于根液泡膜的SWEET17蛋白既可以通過液泡膜攝取細(xì)胞質(zhì)中多余的果糖,也可以釋放存儲在液泡中的果糖。SWEET17蛋白在促進果糖通過根液泡膜的雙向轉(zhuǎn)運中發(fā)揮關(guān)鍵作用,以響應(yīng)代謝需求和維持細(xì)胞質(zhì)中果糖動態(tài)平衡。

SWEET蛋白參與側(cè)根生長發(fā)育。外源果糖處理顯著誘導(dǎo)側(cè)根生長和發(fā)育所需基因ARF7、ARF19、LBD16、LBD18和LBD29的表達[53]。Valifard等[53]的研究結(jié)果表明:SWEET17蛋白在側(cè)根原基處強烈富集,在側(cè)根萌發(fā)的后期,該蛋白質(zhì)在微管系統(tǒng)中富集,隨后在側(cè)根根尖及其周圍細(xì)胞中表達,且在側(cè)根分生區(qū)微管中表達。這些結(jié)果表明SWEET17蛋白主要在側(cè)根形成的區(qū)域表達[53]。sweet17突變體植株葉片中含有高水平的果糖[61]。在干旱脅迫條件下,sweet17突變體植株和野生型植株根系中的葡萄糖、果糖和蔗糖含量顯著升高,但sweet17突變體植株根系中果糖含量始終高于野生型植株。與野生型植株相比,sweet17突變體植株側(cè)根形成受阻,側(cè)根長度縮短,側(cè)根密度降低,同時,側(cè)根生長和發(fā)育所需基因ARF7、ARF19、LBD16、LBD18和LBD29的表達量顯著降低。外源果糖處理誘導(dǎo)根系中SWEET17基因的表達,促進細(xì)胞質(zhì)中果糖進入液泡,從而減弱細(xì)胞質(zhì)中果糖的毒害作用[53]。這些結(jié)果表明sweet17突變體植株細(xì)胞質(zhì)中富集過多的果糖對植株根系的生長和發(fā)育具有毒害作用。干旱脅迫誘導(dǎo)SWEET17基因的表達,sweet17突變體植株對干旱的耐性降低。在干旱脅迫下,sweet17敲除突變體植株側(cè)根生長減慢,側(cè)根發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子表達減少,抗旱性下降[53]。

SWEET16是SWEET17的同源基因,Klemens等[62]研究認(rèn)為SWEET16基因在葉片和花柄的木質(zhì)部薄壁組織中表達水平極低,而在根皮層細(xì)胞中強烈表達,主要在根部發(fā)揮作用。SWEET16和SWEET17是僅有的2個在根中高表達的SWEET蛋白家族成員,說明第Ⅳ類SWEET蛋白在根中具有特定的功能。sweet16和sweet17突變體植株液泡果糖攝取活性顯著降低,而在低溫脅迫條件下,過量表達SWEET16蛋白同樣減少果糖的積累[62]。與sweet16突變體植株相比,sweet16/17雙突變體植株根對過量果糖的耐性沒有進一步降低[56]。這些結(jié)果表明SWEET16和SWEET17蛋白在根細(xì)胞的液泡膜上交換糖的途徑可能不同。鑒于SWEET17基因在根中的表達量明顯高于SWEET16基因,SWEET17很可能是根液泡膜上主要的果糖轉(zhuǎn)運蛋白。液泡膜上含有多種糖轉(zhuǎn)運蛋白,介導(dǎo)不同類型糖的輸入和輸出[2]。與其他液泡膜糖轉(zhuǎn)運蛋白相比, SWEET17蛋白僅轉(zhuǎn)運果糖[56,61]。

葡萄糖、果糖和蔗糖滲透脅迫以及低溫處理顯著降低SWEET16基因的表達量,缺氮處理降低該基因的表達量,但是高氮處理增加該基因的表達量[62]。高濃度糖抑制植物發(fā)育,尤其是在種子發(fā)芽的早期階段[63]。在高糖條件下,轉(zhuǎn)基因植株過量表達SWEET16基因可以提高種子的發(fā)芽效率,其原因是位于液泡膜上的SWEET16蛋白具有轉(zhuǎn)運葡萄糖、果糖和蔗糖的功能,同時,過量表達的SWEET16蛋白促進了細(xì)胞質(zhì)中葡萄糖、果糖和蔗糖進入液泡,從而減少了細(xì)胞質(zhì)中過量糖的毒害作用[62]。在氮充足或高氮利用效率的情況下,過量表達SWEET16基因?qū)⒁号葜械奶寝D(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中,SWEET16蛋白磷酸化后作為還原態(tài)氮的碳受體,因此,過量表達SWEET16基因降低了植株中葡萄糖和果糖的含量,其中在高氮條件下果糖含量顯著降低[62]。在正常生長和高氮條件下,過量表達AtSWEET16基因的擬南芥莖和根的生長量顯著增加,氮利用效率明顯提高[62]。

除了SWEET16和SWEET17蛋白外,SWEET2蛋白也參與了根系的生長發(fā)育。SWEET2蛋白在根中表達,特別是根冠、根尖、根毛和成熟區(qū)表皮。sweet2插入突變體植株對高濃度葡萄糖的敏感性增加,葉片中葡萄糖含量降低,根中葡萄糖流出量較野生型植株提高了15%～25%[64-65]。在過量葡萄糖條件下,SWEET2蛋白將葡萄糖運輸?shù)揭号荻虝捍鎯?。因?SWEET2蛋白對高濃度葡萄糖有緩解作用,阻止糖從根組織流失,具有平衡碳流失到根際的功能[64]。Pythium侵染誘導(dǎo)SWEET2基因的表達,sweet2突變體對Pythium的敏感性增加,根系液泡膜上表達的己糖轉(zhuǎn)運蛋白SWEET2調(diào)控糖分泌[66],降低了隔離在液泡中葡萄糖可利用性,限制糖流失到根際中,增強了對Pythium的抗性[64]。

蒺藜苜蓿(MedicagotruncatulaGaertn.)的MtSWEET11蛋白是根瘤菌特異的蔗糖質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白,在根瘤菌表皮(包括分生組織和侵染區(qū)域)和維管系統(tǒng)中表達,且在根瘤(包括遠(yuǎn)端侵入?yún)^(qū)和分生組織)中表達量最大,另外,時空表達結(jié)果表明MtSWEET11蛋白在根瘤菌發(fā)育的整個時期以及成熟根瘤菌共生氮固定時期均起作用[67-68]。未侵染根瘤菌植株的MtSWEET11蛋白位于質(zhì)膜,而侵染后位于感染線和共生膜上,mtsweet11突變體植株的固氮功能沒有受到影響,可能是其他糖轉(zhuǎn)運蛋白填補了這一功能[67]。

4 SWEET蛋白在生殖器官中的功能作用

4.1 在花粉中的功能作用

花粉發(fā)育是產(chǎn)生雄配子體的必要條件,雄配子體對植物有性生殖和產(chǎn)量至關(guān)重要[69]。在開花植物中,花粉細(xì)胞在花藥中發(fā)育,花藥通過雄蕊中的花絲附著在花托上。在花形成過程中,花藥發(fā)育表現(xiàn)出較高的養(yǎng)分消耗強度[70]。由于綠色萼片和幼嫩花瓣只能提供有限的光合作用同化物,花粉生長在很大程度上依賴于碳源的輸入,主要是來自源葉的蔗糖[71]。

根據(jù)形態(tài)特征,擬南芥花藥發(fā)育可以分為14個階段[72],AtSWEET8基因在花中的表達量最高[73-74]。AtSWEET8基因在階段4(四裂花藥形成)表達;在減數(shù)分裂過程中,絨毛層和小孢子細(xì)胞中AtSWEET8基因的表達量顯著增加;階段7(單倍體小孢子四分體形成)AtSWEET8基因的表達量下降,階段12(絨毛層完全降解,花粉粒形成)時,該蛋白質(zhì)在花粉粒中表達[73]。atsweet8突變體中,小孢子質(zhì)膜形成受到影響,在四分體階段,由于孢粉素沉積異常,小孢子的外壁形成受到嚴(yán)重受阻,并且在減數(shù)分裂后的發(fā)育過程中,小孢子大多破裂和死亡,導(dǎo)致雄性不育[73]。這些結(jié)果說明AtSWEET8蛋白在花藥發(fā)育早期階段維持小孢子質(zhì)膜的完整性,或者調(diào)控小孢子質(zhì)膜的適時變化以滿足初生外壁形成[73]。

擬南芥atsweet13/14雙突變體植株花粉活力低且花粉萌發(fā)率低,導(dǎo)致花粉敗育[44,75]。由此可見atsweet13/14雙突變體植株的育性降低是由花粉缺陷導(dǎo)致。花粉從花藥壁的體細(xì)胞層分離出來,花粉發(fā)育需要花藥小室提供營養(yǎng)?；ㄋ幈谟?層,分別為表皮、藥室內(nèi)壁、中層和絨氈層,其中,表皮在花藥發(fā)育過程中起保護作用;藥室內(nèi)壁貯藏淀粉,與花藥開裂有關(guān),釋放花粉;中層在花藥發(fā)育后期消失;絨氈層促進營養(yǎng)和水分的流動,促進花粉粒的發(fā)育,分泌花粉形成的外壁成分,后期絨氈層退化解體[76]。AtSWEET13和AtSWEET14基因僅在花藥發(fā)育后期的花藥壁(包括內(nèi)表皮和外表皮)中表達,中層和絨氈層已完全解體。擬南芥花藥發(fā)育后期,atsweet13/14雙突變體植株花藥中積累過多的淀粉,且主要集中在花藥的外表皮和內(nèi)表皮細(xì)胞中[75]。atsweet13/14雙突變體植株花粉粒的長度和寬度顯著減小,其花粉粒中葡萄糖、果糖和蔗糖的含量也顯著低于野生型植株,花藥裂開延遲[75]。這些結(jié)果表明atsweet13/14雙突變體植株不能將蔗糖從內(nèi)皮層運輸?shù)交ǚ哿?無法為花粉發(fā)育提供充足的糖分,導(dǎo)致花粉粒發(fā)育不良,這是花粉敗育的主要原因[77]。油脂是成熟花粉粒中碳儲藏的另一種主要形式[78]。糖是花粉粒油脂生物合成的主要來源,油脂積累缺陷影響花粉活力和授粉受精[79]。atsweet13/14雙突變體植株花粉中脂肪酸含量與野生型植株沒有明顯差異[75]。雖然擬南芥atsweet13/14雙突變體植株花粉活性顯著降低,但是仍有少量活性,原因可能是其他SWEET蛋白的表達[6]或者是花藥早期發(fā)育階段生物合成的淀粉降解[44]。蔗糖和赤霉素(GA)都被證明是AtSWEET13或AtSWEET14蛋白的底物[15,44],AtSWEET13和AtSWEET14蛋白介導(dǎo)的蔗糖轉(zhuǎn)運對花粉活力和花粉萌發(fā)至關(guān)重要[75]。AtSWEET5蛋白轉(zhuǎn)運半乳糖,在花粉發(fā)育的三細(xì)胞階段開始表達,在成熟的花粉中表達量最大,在花粉萌發(fā)前表達量快速下降。在外源半乳糖處理條件下,過量表達AtSWEET5蛋白花粉的萌發(fā)率顯著下降,而atsweet5突變體植株花粉萌發(fā)無變化,說明AtSWEET5蛋白在花粉萌發(fā)時期對半乳糖敏感[80]。

已有研究結(jié)果表明:AtSWEET10、AtSWEET12、AtSWEET13和AtSWEET14蛋白能介導(dǎo)GA轉(zhuǎn)運,OsSWEET3a、OsSWEET11a和OsSWEET12蛋白具有微弱的GA介導(dǎo)活性[22,44-45]。然而,通過外源GA3處理,atsweet13/14雙突變體植株的花藥開裂得以部分恢復(fù)[44],ossweet3a突變體植株的種子萌發(fā)和早期芽發(fā)育缺陷可以恢復(fù)[45],表明AtSWEET13和AtSWEET14蛋白在花藥中介導(dǎo)GA轉(zhuǎn)運。GA在調(diào)控花絲伸長和花藥開裂中起重要作用[81]。擬南芥ga20ox1和ga20ox2突變體表現(xiàn)出花絲伸長受損和開裂延遲,但ga20ox1和ga20ox2突變體花粉具有活性[82],表明GA調(diào)控的花藥開裂可能與花粉活力無關(guān)?；ㄋ幇l(fā)育的不同階段可能需要特定的GA轉(zhuǎn)運蛋白,AtSWEET13和AtSWEET14蛋白轉(zhuǎn)運的GA可能與花藥開裂有關(guān)。

番茄SlSWEET5b基因在花中的表達量明顯多于其他28個SlSWEET基因,并且該基因在營養(yǎng)器官中表達量很低;SlSWEET5b基因主要在花發(fā)育后期的雄蕊中明顯表達,而此時小孢子逐漸形成,絨氈層細(xì)胞降解,位于絨氈中的糖轉(zhuǎn)移到小室,在小孢子成熟過程中小室和花粉粒中的糖逐漸積累,在開花前達到最高水平;SlSWEET5b基因在雄蕊中的特異性表達與花粉細(xì)胞中的糖積累同時存在,RNAi介導(dǎo)的SlSWEET5b基因表達抑制導(dǎo)致無核花粉細(xì)胞萎縮、萌發(fā)受損和種子產(chǎn)量降低[83]。此外,slsweet5b沉默突變體的雄蕊中蔗糖含量顯著降低,蔗糖酶活性增加,表明碳供應(yīng)減少,蔗糖平衡紊亂[83]。在花粉成熟階段,小孢子和花粉細(xì)胞壁的形成需要大量的糖,SlSWEET5b基因在成熟花芽中明顯表達,尤其是在花藥維管束和內(nèi)細(xì)胞、離體小孢子(花粉粒)以及花柱中,表明定位在質(zhì)膜的SlSWEET5b蛋白促進韌皮部細(xì)胞的蔗糖卸載,一旦糖被轉(zhuǎn)移到花藥內(nèi)層細(xì)胞,SlSWEET5b蛋白促進己糖被動輸出到藥室,藥室中大部分蔗糖被細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖,藥室中高濃度單糖促使成熟的花粉粒通過SlSWEET5b蛋白攝取己糖[83]。這些結(jié)果表明質(zhì)膜蛋白SlSWEET5b通過介導(dǎo)質(zhì)外體的己糖進入韌皮部卸載細(xì)胞和發(fā)育的花粉細(xì)胞支持番茄花粉的有絲分裂和成熟[83]。SlSWEET5b蛋白在花柱中表達,可能與授粉有關(guān),授粉后花粉管快速生長,將精核輸送到胚珠進行受精,而花粉管生長所需的高能量依賴于周圍組織分泌的氨基酸和糖形式的營養(yǎng)物質(zhì)的持續(xù)供應(yīng)[84]。SlSWEET5b蛋白可能有助于糖從花柱細(xì)胞卸載到傳輸?shù)繹83],在傳輸?shù)乐刑堑奈帐怯傻鞍踪|(zhì)驅(qū)動的SUC/SUT和己糖轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)[85]。

水稻ossweet11(Os8N3)突變體植株的花粉育性降低,大多數(shù)花粉粒有缺陷,這可能與其缺乏淀粉有關(guān)[86]。OsSWEET11a和OsSWEET11b基因在花藥以及內(nèi)稃和外稃脈絡(luò)中表達,且在雄蕊中沒有重疊,在小孢子和絨毛層沒有表達,其中,OsSWEET11a基因在花絲(花藥花梗)頂端表達;OsSWEET11b基因在花藥脈中表達,且起始于OsSWEET11a基因表達的終端,另外,OsSWEET11b基因在花藥維管束中也有表達[22]。因此,OsSWEET11a蛋白可能在花藥基區(qū)脈管系統(tǒng)釋放底物的過程中發(fā)揮作用,而OsSWEET11b蛋白可能在花藥脈中發(fā)揮作用,另外,OsSWEET11b蛋白在主根的中柱、側(cè)根發(fā)生區(qū)域、葉脈和小穗分枝中表達[22]。值得注意的是,溫室中生長的水稻ossweet11a敲除突變體植株未表現(xiàn)出明顯的雄性生育缺陷[9],Wu等[22]認(rèn)為ossweet11a和ossweet11b突變體植株沒有生殖缺陷。Os8N3基因3′端的598 bp RNA干擾導(dǎo)致水稻花粉育性降低,花粉粒中淀粉含量降低[86],可能是RNA干擾同時影響了OsSWEET11a和OsSWEET11b基因的功能[22]。ossweet11a/11b雙突變體植株由于雄配子體發(fā)育缺陷,花粉缺陷不能產(chǎn)生單個可育種子,導(dǎo)致無生殖能力[22]。另外,ossweet11a/11b雙突變體植株花粉形態(tài)異常,糖供給不足,淀粉含量顯著低于野生型植株,因此,OsSWEET11a和OsSWEET11b蛋白分別在花藥柄和花藥脈中表達,這2個位置SWEET底物轉(zhuǎn)移的綜合缺陷導(dǎo)致轉(zhuǎn)運到花粉的糖不足,淀粉含量降低,從而導(dǎo)致雄性不育[22]。外源GA處理可以恢復(fù)擬南芥atsweet13/14雙突變體的雄性不育特性[44],但是對水稻ossweet11a/11b雙突變體的雄性不育無積極作用[22]。OsSWEET11a或OsSWEET11b蛋白沒有GA轉(zhuǎn)運活性,表明ossweet11a/11b雙突變體由于蔗糖轉(zhuǎn)運缺陷導(dǎo)致雄性不育,而非GA供給降低導(dǎo)致[22]。

被子植物花蜜合成和分泌具有花內(nèi)蜜腺和花外蜜腺2種類型[40]。花蜜的生物合成在花內(nèi)蜜腺和花外蜜腺中具有保守性[87]。擬南芥是一種自交親和可育植物,發(fā)育出功能蜜腺,生產(chǎn)揮發(fā)物和富含己糖的花蜜。擬南芥AtSWEET9基因在蜜腺中高表達,介導(dǎo)蔗糖攝入和流出[40,88]。在擬南芥atsweet9突變體植株中未檢測到花蜜滴,過表達AtSWEET9基因可以增加花蜜量和葡萄糖量,atsweet9突變體中轉(zhuǎn)入AtSWEET9基因可以恢復(fù)花蜜分泌[40]。在成熟過程中,AtSWEET9基因在花內(nèi)蜜腺中表達量增加,在花蜜分泌最多時表達量最大。開花前,淀粉在野生型植株的蜜腺薄壁組織色素體中積累,并降解生成糖,支持花蜜分泌[89]。atsweet9突變體植株蜜腺薄壁組織的所有細(xì)胞中都有淀粉積累,表明AtSWEET9蛋白負(fù)責(zé)細(xì)胞中糖流出;開花期,野生型植株的花蜜保護組織中含有淀粉粒,可能是花蜜中糖的再次吸收,而atsweet9突變體植株沒有該特性[40]。2個蔗糖磷酸合成酶基因SPS1和SPS2在擬南芥成熟蜜腺中高表達,SPS基因表達受到抑制后,淀粉積累增加,花蜜分泌功能喪失;在擬南芥蜜腺薄壁組織中,淀粉驅(qū)動蔗糖生物合成后,由SWEET9蛋白轉(zhuǎn)運到細(xì)胞外空間,CWINV4蛋白將蔗糖分解成葡萄糖和果糖,產(chǎn)生足夠大的滲透勢,使水沿滲透梯度向下流動,促進花蜜形成;SWEET9蛋白還參與了蔓菁(雄蕊外蜜腺)和漸狹葉煙草(雌蕊蜜腺)花蜜分泌[40]。這些結(jié)果說明SWEET9蛋白是擬南芥、蔓菁和漸狹葉煙草3種雙子葉植物中花蜜特有的糖轉(zhuǎn)運蛋白。

花蜜分泌階段,SWEET9和CWINV4基因的相對表達水平?jīng)Q定花蜜中是否富含己糖。如擬南芥和菥蓂(ThlaspiarvenseLinn.)花蜜分泌階段,SWEET9和CWINV4基因的表達量接近,花蜜中富含己糖[40,90]。而陸地棉(GossypiumhirsutumLinn.)的花外蜜腺分泌的花蜜中富含蔗糖,CWINV4基因的表達量僅為SWEET9基因的1/6[87]。西葫蘆(CucurbitapepoLinn.)[91]、向日葵(HelianthusannuusLinn.)[92]和筍瓜(CucurbitamaximaDuch. ex Lam.)[93]花蜜中也富含蔗糖,SWEET9與CWINV4基因的表達無相關(guān)性。

4.2 在種子中的功能作用

擬南芥種子填充需要3個蔗糖質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白SWEET11、SWEET12和SWEET15。AtSWEET11基因主要在線形胚子葉期和成熟綠色胚期的胚乳和種皮中表達;AtSWEET12基因在線形胚子葉期和成熟綠色胚期的種皮中表達量最大,在球心胚期的胚柄和種皮珠孔端表達;AtSWEET15基因在球心胚期和成熟綠色胚期的胚乳中表達,在球心胚前期種子中表達量很弱,但是在線形胚子葉期和成熟綠色胚期的種皮中表達量很高[6]。AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15基因在種子發(fā)育過程中表現(xiàn)出特定的時空表達模式,但只有atsweet11/12/15三突變體植株表現(xiàn)出嚴(yán)重的種子缺陷,包括胚發(fā)育遲緩、種子質(zhì)量降低、淀粉和脂質(zhì)含量降低,導(dǎo)致種子皺縮,并且在atsweet11/12/15三突變體植株中,淀粉在種皮中積累,而不是在胚中積累,這表明糖從種皮轉(zhuǎn)移到胚中是由AtSWEET11、AsSWEET12和AtSWEET15蛋白介導(dǎo)的蔗糖流入[6]。在擬南芥種子發(fā)育早期階段,蔗糖通過維管束卸載到韌皮部。蔗糖通過共質(zhì)體途徑向種皮的珠孔端轉(zhuǎn)運,隨后AtSWEET15蛋白將蔗糖轉(zhuǎn)運到質(zhì)外體空間。在球心胚期的珠孔端,隨著AtSWEET12蛋白的出現(xiàn),共質(zhì)體卸載轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)外體卸載[94]。AtSWEET12蛋白在種皮珠孔端表達,說明AtSWEET12蛋白轉(zhuǎn)運蔗糖到種皮珠孔端,卸載的蔗糖用于種皮中淀粉的積累和胚乳中細(xì)胞壁生物合成[95]。AtSWEET12蛋白在種子發(fā)育早期階段的胚柄中表達,說明AtSWEET12蛋白將一些蔗糖從種皮通過胚柄直接運輸?shù)脚?在種子發(fā)育后期,AtSWEET11蛋白從內(nèi)珠被、而AtSWEET15蛋白從外珠被向胚運輸蔗糖,以滿足胚的正常發(fā)育[6]。植物胚胎的發(fā)育依賴于母體組織通過種皮和胚乳提供的營養(yǎng)。蔗糖是植物中糖類的主要運輸形式,通過韌皮部傳遞到母體種皮,然后從種皮分泌出來供養(yǎng)胚胎。

玉米ZmSWEET4蛋白通過基胚乳轉(zhuǎn)移層轉(zhuǎn)運葡萄糖和果糖到胚乳,基胚乳轉(zhuǎn)移層是營養(yǎng)進入種子的輸入口,而玉米zmsweet4c和水稻ossweet4突變體植株表現(xiàn)出種子填充缺陷,表明基胚乳轉(zhuǎn)移層缺少己糖轉(zhuǎn)運蛋白,導(dǎo)致母體韌皮部的糖不能轉(zhuǎn)移到胚乳,說明在玉米和水稻馴化過程中SWEET4蛋白可能是被招募來增加糖輸入到胚乳[35]。果實發(fā)育早期,細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶CWINV將輸入的蔗糖轉(zhuǎn)化為己糖(葡萄糖和果糖),SWEET4蛋白將己糖轉(zhuǎn)運到胚乳,己糖可以促進有絲分裂,增加細(xì)胞數(shù)量;果實發(fā)育后期,CWINV蛋白停止表達,誘導(dǎo)蔗糖轉(zhuǎn)運,蔗糖作為細(xì)胞分化信號,促進儲藏產(chǎn)物積累[96]。

已有研究結(jié)果[7,9,97]顯示:水稻OsSWEET4基因在授粉后1 d的表達量最高,隨后表達量下降,而OsSWEET11、OsSWEET14和OsSWEET15基因的表達量逐漸升高,在發(fā)育后期達到較高的水平,且在水稻穎果發(fā)育過程中,OsSWEET11、OsSWEET14和OsSWEET15基因的mRNA表達水平均為最高,這些基因編碼的蛋白質(zhì)定位于胚珠維管束、珠心突起、環(huán)繞胚乳的珠心表皮以及糊粉層。另外,ossweet11突變體植株穎果成熟延遲約20 d,籽粒皺縮,千粒質(zhì)量和產(chǎn)量減少,籽粒灌漿速率和結(jié)籽率降低;與野生型植株相比,ossweet11突變體植株種子胚囊中蔗糖濃度顯著降低,導(dǎo)致籽粒填充缺陷,單粒質(zhì)量和結(jié)實率降低[7,9,97]。ossweet11突變體和野生型水稻的雜交結(jié)果表明突變母本供體導(dǎo)致籽粒灌漿缺陷[97]。ossweet14和ossweet15突變體種子沒有明顯表型差異;與ossweet11突變體相比,ossweet11/15和ossweet11/14雙突變體籽粒皺縮且直徑變小,胚乳形成受阻,且在果皮中積累淀粉,而穎果中均未形成具有功能的胚乳;而與野生型植株相比較,ossweet11突變體以及ossweet11/15和ossweet11/14雙突變體植株的高度、每株穗數(shù)和小穗數(shù)沒有明顯差異[7,9]。胚珠突起與糊粉層、胚珠表皮與糊粉層的糖轉(zhuǎn)運不存在共質(zhì)體途徑[9]。這些結(jié)果表明在胚珠維管束,蔗糖從韌皮部轉(zhuǎn)移到薄壁組織,通過胞間連絲共質(zhì)體途徑進入胚珠突起和胚珠表皮,OsSWEET11、OsSWEET14和OsSWEET15蛋白介導(dǎo)蔗糖從維管束薄壁組織進入質(zhì)外體,或從胚珠突起和胚珠表皮進入質(zhì)外體,隨后這3個蛋白質(zhì)將蔗糖運輸?shù)胶蹖雍团呷?促進水稻穎果胚乳的形成,完成灌漿。OsSWEET15基因可以彌補ossweet11突變體的缺陷,OsSWEET14蛋白與OsSWEET11蛋白協(xié)同作用于水稻籽粒灌漿[7],OsSWEET11和OsSWEET15蛋白是水稻籽粒填充的核心成員[9]。

大豆種子主要由成熟胚組成,為人類和其他動物所需蛋白質(zhì)和油脂的主要來源。植物種子發(fā)育早期對于種子數(shù)量和大小以及潛在產(chǎn)能具有重要影響。在發(fā)育早期,微小的胚胎迅速生長,并從發(fā)育種子的液體胚乳中獲得大量的糖。子葉期胚乳分解,為發(fā)育中的胚胎提供糖,這對種子成熟至關(guān)重要[98]。GmSWEET15a和GmSWEET15b基因在大豆發(fā)育種子子葉期的胚乳中特異性高表達;gmsweet15突變體植株種子在球形胚、心形胚和子葉胚發(fā)育過程中,胚發(fā)育和胚乳降解大幅度延遲,并且80%的種子敗育,種子成熟延遲7～10 d;而與野生型植株相比,過量表達GmSWEET15基因的種子敗育率沒有差異[99]。gmsweet15突變體植株與野生型植株的互交實驗結(jié)果表明:僅gmsweet15(♀)×gmsweet15(♂)雜交結(jié)籽率顯著降低,說明gmsweet15突變體植株種子敗育與受精卵中GmSWEET15的等位基因有關(guān);gmsweet15突變體植株種子、胚、種皮和胚乳中的蔗糖和葡萄糖含量顯著降低,而在胚發(fā)育過程中,糖供給不足是gmsweet15突變體植株種子敗育的主要原因,增加驅(qū)動光合作用的蔗糖的供給可以部分恢復(fù)gmsweet15突變體植株的種子敗育缺陷[99]。葡萄糖含量降低可能激發(fā)細(xì)胞程序性死亡,抑制細(xì)胞分裂,而細(xì)胞程序性死亡與高的種子敗育率有關(guān)[98,100]。上述研究結(jié)果表明質(zhì)膜糖轉(zhuǎn)運蛋白GmSWEET15在大豆胚胎發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。

在大豆種子發(fā)育過程中,GmSWEET10a和GmSWEET10b基因主要在種皮薄壁組織中表達;與野生型植株相比較,gmsweet10a和gmsweet10b敲除突變體植株種子大小和油脂含量降低,蛋白質(zhì)含量升高,而GmSWEET10a和GmSWEET10b基因過量表達植株種子大小和油脂含量顯著升高,蛋白質(zhì)含量降低;gmsweet10a/10b雙突變體植株種子更小,油脂含量更低,蛋白質(zhì)含量更高,gmsweet10a/10b雙突變體植株種胚中蔗糖、葡萄糖和果糖的含量顯著降低,種皮中蔗糖含量(花后14～16 d)和己糖含量(花后20～22 d)顯著高于野生型植株,說明gmsweet10a/10b雙突變體植株中糖從種皮向胚轉(zhuǎn)運的功能缺陷,GmSWEET10a和GmSWEET10b蛋白決定種皮和胚之間糖的分配[101]。在種子快速生長階段,種皮和胚中的蔗糖含量較高,跨越種皮的蔗糖對于滿足快速生長的種子對碳源日益增長的需求尤為重要。糖分配影響胚發(fā)育,調(diào)控脂肪酸和蛋白質(zhì)生物合成[96]。在大豆馴化過程中,GmSWEET10a基因的選擇將更多的糖從種皮運輸?shù)脚?促進胚細(xì)胞分裂和擴展,增加油脂生物合成,從而增加了油脂含量以及種子大小;由于蛋白質(zhì)生物合成依賴氮和碳的利用效率,GmSWEET10a或GmSWEET10b蛋白的糖轉(zhuǎn)運活性增加,導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低,說明GmSWEET10a和GmSWEET10b蛋白通過轉(zhuǎn)運蔗糖、葡萄糖和果糖決定種子油脂和蛋白質(zhì)含量,控制種子大小[101]。

大豆經(jīng)過馴化改良,其種子中油脂含量增加。大豆群體遺傳連鎖分析結(jié)果顯示:15號染色體2～6 Mb區(qū)域存在顯著調(diào)控蛋白質(zhì)和油脂含量的數(shù)量性狀位點(QTL)[37-38,102]。GmSWEET39蛋白控制大豆種子油脂含量[38]。GmSWEET39(CC-)基因在花芽和發(fā)育的種子中顯著表達,在球形胚階段開始積累,成熟階段早期達到最高,隨后降低,后成熟階段和干種子階段沒有表達[37]。GmSWEET39基因在種皮薄壁組織中大量表達,這對于從種皮卸載光合作用同化物及激發(fā)種子儲藏啟動至關(guān)重要[103]。GmSWEET39蛋白將種皮薄壁組織中卸載的蔗糖轉(zhuǎn)運到胚,增加胚中蔗糖含量,進而加強蔗糖驅(qū)動的脂肪酸生物合成[104]。

4.3 在果實中的功能作用

果實中糖含量決定其品質(zhì)和市場價值。蘋果(MalusdomesticaBorkh.)基因組中有25個SWEET基因,其中9個在果實發(fā)育過程中高表達,MdSWEET2e、MdSWEET9b和MdSWEET15a基因與果實中糖積累有關(guān),MdSWEET9b和MdSWEET15a基因是不同品種間糖含量表型變異的主要貢獻者[23]。AnmSWEET5和AnmSWEET11基因在鳳梨〔Ananascomosus(Linn.) Merr.〕果實發(fā)育過程中顯著表達[105]。枇杷〔Eriobotryajaponica(Thunb.) Lindl.〕EjSWEET15基因高表達與高糖含量相關(guān)[106]。葡萄(VitisviniferaLinn.)VvSWEET10基因在果實成熟時極顯著表達,在葡萄和番茄中過量表達VvSWEET10基因可以顯著增加果實中葡萄糖、果糖和總糖的含量[25]。

番茄SlSWEET15基因在果實中的表達量顯著高于營養(yǎng)器官,而slsweet15敲除突變體植株的果實大小和質(zhì)量顯著降低,種子填充和胚發(fā)育存在嚴(yán)重缺陷[10]。SlSWEET15蛋白在微管組織和種皮中表達,微管組織和種皮是果實中蔗糖卸載的主要部位,在果實發(fā)育過程中,SlSWEET15蛋白介導(dǎo)蔗糖流從韌皮部釋放細(xì)胞進入質(zhì)外體,隨后輸入薄壁組織,且SlSWEET15蛋白介導(dǎo)的蔗糖流對于從種皮到發(fā)育胚的蔗糖卸載是必須的,說明SlSWEET15蛋白從番茄韌皮部和種皮卸載蔗糖為果實和種子發(fā)育提供養(yǎng)分[10]。番茄質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白SlSWEET7a和SlSWEET14轉(zhuǎn)運葡萄糖、果糖和蔗糖,主要在綠熟期的花梗、維管束和種子中表達,而SlSWEET7a或SlSWEET14基因沉默后果實中糖含量升高,植株高度增加,果實增大[107]。在番茄果實的胎座韌皮部薄壁組織中,蔗糖通過質(zhì)外體途徑卸載,位于胎座和種子交界的韌皮部薄壁組織可能是蔗糖質(zhì)外體卸載的部位[107]。液泡轉(zhuǎn)化酶與糖信號、細(xì)胞壁相關(guān)激酶和植物激素交叉作用促進細(xì)胞擴張,SlSWEET7a基因沉默促進己糖積累和液泡轉(zhuǎn)化酶的表達,改變糖信號可以促進細(xì)胞擴張,生產(chǎn)較大的果實[107]。西瓜〔Citrulluslanatus(Thunb.) Matsum. et Nakai〕果實發(fā)育過程中,ClSWEET3基因在儲存細(xì)胞中表達量最高,且表達量與糖含量顯著相關(guān),該基因過量表達導(dǎo)致糖含量升高,而該基因缺失導(dǎo)致糖含量降低[108]。黃瓜(CucumissativusLinn.)己糖轉(zhuǎn)運蛋白CsSWEET7a在庫組織中高表達,位于韌皮部伴侶細(xì)胞的質(zhì)膜上,隨著果實發(fā)育,表達量逐漸增加,過量表達該基因果實大小以及葡萄糖和果糖含量增加,而RNAi植株表現(xiàn)出相反的表型[109]。在黃瓜果實中,CsSWEET7a蛋白在韌皮部將伴侶細(xì)胞中的己糖轉(zhuǎn)運到質(zhì)外體,激發(fā)棉子糖家族的低聚糖代謝,促進果實生長發(fā)育[109]。

5 總結(jié)和展望

隨著物種的進化演變,多倍體化使基因家族成員得到了擴張。SWEET4、SWEET9和SWEET39基因是作物馴化改良選擇的關(guān)鍵基因。SWEET蛋白調(diào)控植物生長發(fā)育不同生理過程,尤其是源庫關(guān)系[8]。例如:SWEET16和SWEET17蛋白參與根系發(fā)育,提高氮的利用效率;擬南芥AtSWEET13和AtSWEET14蛋白以及水稻OsSWEET11a和OsSWEET11b蛋白參與花藥發(fā)育;SWEET9蛋白參與花蜜分泌;擬南芥AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15蛋白以及水稻OsSWEET4、OsSWEET11、OsSWEET14和OsSWEET15蛋白控制種子填充;SWEET39和SWEET10蛋白控制大豆油脂和蛋白質(zhì)含量。這些結(jié)果表明SWEET蛋白參與光合作用同化物分配,控制作物產(chǎn)量,SWEET基因工程是增加源庫強度、提高作物產(chǎn)量的有效策略。

在不同的植物生長發(fā)育中,SWEET蛋白發(fā)揮的功能不同,例如:擬南芥AtSWEET8蛋白在花藥發(fā)育早期發(fā)揮作用,AtSWEET13和AtSWEET14蛋白在花藥發(fā)育后期發(fā)揮作用,而水稻OsSWEET11a和OsSWEET11b蛋白共同調(diào)控花藥發(fā)育。值得注意的是,部分SWEET基因過量表達植株和敲除突變體植株表型相同,發(fā)芽延遲和生長發(fā)育延緩,產(chǎn)量下降,韌皮部裝載受損,如水稻OsSWEET3a、OsSWEET11和OsSWEET14基因[110-111],擬南芥AtSWEET11和AtSWEET12基因[16],馬鈴薯StSWEET11基因[49]。然而,SWEET蛋白調(diào)控光合產(chǎn)物分配在不同物種間存在差異,其作用機制仍然不清楚。

關(guān)于SWEET蛋白建議重點進行以下研究:1)利用現(xiàn)代基因組測序技術(shù),結(jié)合多組學(xué)技術(shù),進行全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)和QTL定位,鑒定候選SWEET基因控制源庫組織中糖類分配的性狀,揭示SWEET蛋白在植物馴化改良過程中的作用;2)從更多的物種中鑒定SWEET蛋白,挖掘SWEET蛋白新成員及其獨特的功能作用,如SWEET9蛋白具有獨特的蜜腺分泌功能;3)通過物種間SWEET蛋白的比較,揭示物種的起源和進化關(guān)系;4)通過調(diào)控SWEET蛋白韌皮部裝載功能,提高其源到庫的轉(zhuǎn)運效率;5)通過研究SWEET蛋白韌皮部卸載的質(zhì)外體途徑調(diào)控種子和果實中糖含量,促進提質(zhì)增效;6)通過研究根系中SWEET蛋白對液泡中糖的調(diào)控機制促進根系發(fā)育,尤其是在無性繁殖植物中的應(yīng)用。