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《Nature Genetics》:SWEET介導的己糖轉運調控玉米和水稻的種子灌漿 
作者:張健
來源:中國水稻研究所
發布時間:2016-02-01

2015年11月2日,《Nature Genetics》雜志以“Letter”的形式在線發表了由斯坦福大學、愛荷華州立大學、加州大學等單位合作研究的最新科研成果。在玉米和水稻的馴化過程中,SWEET介導的己糖轉運調控了種子的灌漿過程。可溶性糖往發育中種子的轉運能力決定了細胞的大小和數目,最終影響了種子的大小。種子必須高效地從成熟組織中吸收營養物質,以促進自身的發育。先前人們普遍認為農作物的長期馴化影響了激素對植株的調控機制,然而很少有證據顯示馴化過程是如何選擇種子灌漿過程中的糖類轉運機制。比如,玉米的種子在人們選育過程中粒型變大,但糖類代謝和轉運相關的功能位點研究得較少。

在這篇題為“Seed filling in domesticated maize and rice depends on SWEET-mediated hexose transport”論文中,研究人員通過比較和篩選已發表的不同玉米基因表達數據庫,發現ZmSWEET4c在玉米和玉米早期的起源蜀黍中存在較大的差異,并在種子中高豐度表達。該基因編碼一類糖轉運蛋白,負責將韌皮部運輸的糖類轉運至周邊的庫器官,可能是玉米馴化過程中的一類重要的糖類代謝或轉運功能位點,參與調控種子的灌漿過程。

為了證實這一推斷,研究人員首先比較了ZmSWEET4c在玉米和蜀黍中的序列差異性,發現子該基因在在啟動子序列上存在較大的差異,并且在種子的發育過程中,ZmSWEET4c在玉米中具有更高的表達量。同時該基因的T-DNA 插入突變體表現出“空果皮”的表型,即胚乳較胚與野生型相比變得更小,但胚仍能發育成一個可育的個體,表明ZmSWEET4c特異地影響種子的灌漿過程。

另一方面,研究人員通過原位雜交、RNA-seq、亞細胞定位等研究手段確認該基因定位在基底胚乳轉移層(basal endosperm transfer layer ,BETL)的細胞膜上,同時通過底物特異性吸收實驗和酵母糖吸收缺陷菌株互補實驗表明該基因主要是將葡萄糖和果糖等六碳糖由韌皮部經由基底胚乳轉移層輸送到胚乳中,進而影響種子的灌漿。

同時,研究發現該基因的突變體由于六碳糖輸送至基底胚乳轉移層的能力下降,導致BETL發育不完全,同時OsSWEET4的表達受葡萄糖的誘導,并提出調控灌漿的正反饋機制模型, 即ZmSWEET4c介導的六碳糖輸送至BETL后,誘導了BETL膜面積的增加和ZmSWEET4c轉運活性的升高,最終增強了葡萄糖和果糖輸送至胚乳的能力。

最后,研究人員還將此項研究延伸至其它物種如水稻中,發現水稻里的唯一一個同源基因OsSWEET4同樣在種子中高度表達,其表達量受葡萄糖誘導,具有轉運葡萄糖和果糖等六碳糖的能力,突變體表現出灌漿缺陷的表型,即胚乳變小,結實率下降,水稻不同品種間的序列比對表明該基因也是水稻馴化過程中的一類重要的糖類代謝或轉運功能位點。由此,研究人員推斷這一植物SWEET轉運蛋白調控種子的灌漿過程,可為探索高產的玉米和水稻新品種培育提供新思路。

Nature GeneticsNature出版集團出版。根據2015年ISI發布的JCR(Journal Citation Reports)數據,2014年它的影響因子為29.352,在總計167種期刊的遺傳學科(GENETICS & HEREDITY)中排名第2位。

論文摘要:

Carbohydrate import into seeds directly determines seed size and must have been increased through domestication. However, evidence of the domestication of sugar translocation and the identities of seed-filling transporters have been elusive. Maize ZmSWEET4c, as opposed to its sucrose-transporting homologs, mediates transepithelial hexose transport across the basal endosperm transfer layer (BETL), the entry point of nutrients into the seed, and shows signatures indicative of selection during domestication. Mutants of both maize ZmSWEET4c and its rice ortholog OsSWEET4 are defective in seed filling, indicating that a lack of hexose transport at the BETL impairs further transfer of sugars imported from the maternal phloem. In both maize and rice, SWEET4 was likely recruited during domestication to enhance sugar import into the endosperm.

詳細信息:

http://www.cnrri.cn/zjww/Detail.aspx?id=20027685

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