SWEET转运蛋白在作物中的功能研究及前景展望

SWEET是近年来新发现的一类糖转运蛋白,在植物中参与光合产物的运输和分配,从而调控植物响应逆境胁迫、抵抗病原菌侵染以及种子形成和发育等生理过程。本研究综述了作物中SWEET基因家族功能的最新进展,初步归纳了水稻、玉米、大豆和高粱等作物的SWEET蛋白在糖分转运和分配过程中的功能,有助于解析SWEET蛋白家族提高作物产量的机理。     

番茄果实成熟过程中SlSWEET7a的功能分析

【目的】SWEETs(sugars will eventually be exported transporters)是一种糖转运蛋白,参与植物生物进程,对植物生长发育、响应各种胁迫、宿主-病原体的互作发挥作用。克隆番茄SWEET7a,通过构建Sl SWEET7a沉默和过表达载体,研究其在糖的转运过程中的作用,为探索SWEETs在植物果实发育过程中的功能提供理论依据。【方法】以Micro-Tom(Solanum lycopersicum)番茄为试材,利用RT-PCR技术从果实中克隆SWEET7a的c DNA全长842bp,进行生物信息学分析,并利用MEGA6.0构建拟南芥进化树,与Sl SWEET7a进行蛋白序列同源性分析;利用实时荧光定量PCR技术探明其在果实发育时期的时空表达特征分析,并构建基因的沉默和过表达载体,通过农杆菌介导的果实注射法进行瞬时表达检测构建载体的表达效率;然后进行番茄的遗传转化,获得T1代转基因株系,利用实时荧光定量PCR技术检测绿熟期果实SWEET7a的表达,通过高效液相色谱法检测转基因果实和叶片中糖组成与含量的变化。【结果】Sl SWEET7a蛋白结构是由7个跨膜结构域构成的。同源性比对分析结果显示,Sl SWEET7a与拟南芥At SWEET6和At SWEET8序列同源性较高,都属于SWEETs家族的CladeⅡ。番茄果实各部位的表达分析显示,Sl SWEET7a在绿熟期果柄、果实维管束相对表达量最高,转色期和红熟期相对表达量较低。构建SWEET7a沉默(S7a)及过表达载体(OE7a)在番茄果实的瞬时表达,发现OE7a样品果实中Sl SWEET7a的表达量是未注射果实的6倍,其Sl SWEET7a表达量明显上调,与对照相比,S7a样品果实中Sl SWEET7a明显下调了5倍。在番茄中的遗传转化中卡那霉素抗性筛选获得10株可能的超表达T0代植株,PCR鉴定得到了Sl SWEET7a超表达8株;沉默株系经除草剂筛选,获得14株,PCR检测得到10株沉默株系。T1代植株的实时定量分析显示,过表达Sl SWEET7a植株发生转基因沉默现象,Sl SWEET7a表达量显著低于正常植株,而沉默植株表达量也降低,说明获得的过表达植株也发生了基因沉默。果糖、葡萄糖和蔗糖含量测定结果表明,降低番茄中Sl SWEET7a的表达,植株成熟叶片和绿熟期果实中果糖、葡萄糖和蔗糖含量均高于对照,尤其是叶片中蔗糖含量显著高于对照,这说明Sl SWEET7a对细胞中蔗糖的易化扩散起着重要作用。【结论】Sl SWEET7a对叶片中蔗糖向源组织韧皮部的装载及果实果柄、维管束的运输、卸载起重要调控作用。     

植物糖转运蛋白基因家族生物学功能的研究进展

糖转运蛋白(SWEET)基因家族作为一种新型糖转运蛋白被人们熟知,是一类植物己糖和蔗糖转运蛋白的转录本,通过调控碳水化合物的分配过程,以维持植物体内己糖和蔗糖的平衡,被认为是提高植物抗逆性的关键基因家族。该基因家族在不同物种中发挥的功能和调控作用不同,文章综述了该基因家族参与植物生长发育、植物与病原体的相互作用、应激反应以及离子转运等生物学过程,为后续SWEET基因家族在植物分子调控机制和细胞信号调控网络中的研究奠定理论基础。     

拟南芥SWEET1/2/3基因突变体构建及功能鉴定

SWEET (sugars will eventually be exported transporters) 基因广泛存在于植物、动物和微生物中，在细胞膜或者细胞器膜形成跨膜孔道，协助糖类物质完成跨膜运输。拟南芥SWEET1/2/3基因属于SWEET基因家族CladeⅠ分支。通过表达谱数据分析发现，SWEET1基因在花器官优先表达，SWEET2基因在营养生长和生殖生长期均有表达，SWEET3基因在花中表达。三个基因在体外鉴定具有葡萄糖转运活性，但由于缺少功能缺失的突变体和功能冗余，它们的生理功能仍不清楚。通过CRISPR/Cas9系统在SWEET1/2/3基因中创建了靶向突变，鉴定获得了sweet1、sweet1/2、sweet3和sweet1/2/3突变体。突变体在营养生长过程中表型与野生型相同，但它们的角果长度显著短于野生型的角果。在高浓度葡萄糖培养基上，sweet1、sweet1/2和sweet1/2/3突变体对葡萄糖敏感，其特征是根更短，高度严重降低，表明 SWEET1/2/3基因在葡萄糖信号中具有功能。对葡萄糖信号通路中关键基因的进一步分析发现，HXK1、KIN10和KIN11在野生型和突变体之间转录和翻译水平没有显著差异。结果表明，拟南芥SWEET1/2/3基因在葡萄糖信号传导和调节角果的发育中起着重要作用。     

甜瓜果实发育相关SWEET糖转运蛋白基因的鉴定与功能初步分析

甜瓜是我国，也是世界上最重要的夏令水果之一。甜瓜果实内所含碳水化合物的种类和数量很大程度上决定其品质和产量。SWEET(sugars will eventually be exported transporters)糖转运蛋白具有运输葡萄糖和其他寡糖的功能，最近研究表明，SWEET糖转运蛋白在果实发育中可能起调控作用。本研究从甜瓜基因组中鉴定获得18个SWEETs糖转运蛋白基因，进一步通过RT-PCR并结合实时荧光定量PCR(quantitative real-time PCR,qPCR)方法，筛选到3个SWEETs基因在整个果实发育期内或某个发育时期表达量较高。亚细胞定位显示，两个SWEETs基因(CmSWEET3,CmSWEET7a)定位在细胞膜上。进一步通过酵母表达发现，甜瓜CmSWEET7a在体外具有转运葡萄糖和果糖的功能。本研究为揭示SWEET糖转运蛋白在甜瓜果实发育过程的调控作用奠定了基础。     

植物蔗糖转运蛋白研究进展

蔗糖转运蛋白在植物蔗糖转运过程中发挥重要作用,其生物活性影响植物的生物量。本文从蔗糖运输、蔗糖转运蛋白的结构与系统进化树构建、生物学功能等方面,介绍了蔗糖转运蛋白和新发现的SWEET蛋白的最新研究进展。     

甜瓜SWEET基因家族的全基因组鉴定及生物信息学分析

糖外排转运子(sugars will eventually be exported transporter, SWEET)是一类新型的糖转运蛋白，其在植物生长发育、植物与病原体互作以及植物胁迫耐受性方面都起着重要作用。基于甜瓜中还未有该家族基因的相关报道，本研究开展CmSWEET的全基因组鉴定和生物信息学分析。通过同源性搜索，总共鉴定到17个甜瓜CmSWEET基因。这些基因分布于甜瓜8条染色体上，具有典型的MtN3/saliva结构域。系统发育树将拟南芥、黄瓜和甜瓜的SWEET蛋白分为4个进化分支，其中亚族Ⅲ是甜瓜和黄瓜独有的亚族。基因启动子区域的顺式作用元件显示，CmSWEET含有许多与植物激素和应激相关的调节元件，暗示了CmSWEET在参与调节甜瓜生长发育以及环境适应性方面有重要作用。基因表达量分析表明，大部分CmSWEET基因在花(雌花和雄花)和根中高表达，部分CmSWEET基因在果实发育时期表达量较高。此外，RNA-Seq结果暗示，CmSWEET基因可能参与对尖孢镰刀菌和白粉病菌侵染的抗性响应。本研究为今后探究CmSWEET蛋白在甜瓜生长发育过程以及响应生物和非生物胁迫中的分子...     

拟南芥AtSWEET4基因启动子序列、编码蛋白结构 分析及其在病原菌胁迫下表达特性检测

[目的]分析拟南芥糖运输载体蛋白基因(AtSWEET4)启动子序列及其编码蛋白的结构,并检测病原菌胁迫下AtSWEET4基因的表达特性,为研究AtSWEET4蛋白在拟南芥生长发育和生物胁迫中的作用机制提供理论依据.[方法]采用生物信息学方法分析AtSWEET4基因启动子序列及其编码蛋白的结构,并采用实时荧光定量PCR(qRT-PCR)和β-葡萄糖苷酸酶(GUS)组织染色法检测人工接种菜豆晕疫病菌(Pseudomonas syringae pv.phaseolicola,Psp)NPS3121和丁香假单胞菌番茄致病变种(Pseudomonas syringae pathovar tomato,Pst)DC3000后AtSWEET4基因的表达情况.[结果]AtSWEET4蛋白由251个氨基酸组成,分子量为27.8 kD,分子式为C1300H2038N304O346S11,理论等电点(pI)为8.71,脂肪氨基酸指数为118.76,不稳定指数为38.72,平均亲水性指数为0.629,为稳定的亲水蛋白,且含有7个跨膜结构域,无信号肽,为非分泌型蛋白.AtSWEET4蛋白与芥属的亚麻荠和荠菜SWEET4蛋白亲缘关系最近,其次是十字花科的甘蓝和萝卜SWEET4蛋白,与禾本科的二穗短柄草SWEET4蛋白亲缘关系最远.AtSWEET4基因启动子序列中包含核心元件TATA-box、增强子元件CAAT-box、调控植物生长发育相关元件、激素响应相关元件、非生物胁迫响应相关元件和生物胁迫响应相关元件.Psp NPS3121和Pst DC3000均可诱导AtSWEET4基因表达,但表达模式不同:接种Psp NPS3121后6和12 h的AtSWEET4基因表达明显上调,但至接种后24 h又迅速下降;接种Pst DC3000后AtSWEET4基因表达量逐渐增加.[结论]AtSWEET4基因的启动子序列特征及其编码蛋白结构与其参与植物免疫反应密切相关.     

质子对植物蔗糖转运蛋白和己糖转运蛋白活性的调节

蔗糖是植物体内进行长距离运输的主要营养物质和信号分子。蔗糖转运蛋白和己糖转运蛋白是蔗糖从源到库的运输过程中的重要参与者。质子不仅通过形成质子动子势为蔗糖和己糖逆浓度梯度跨膜转运提供动力,还调节它们的活性,从而影响蔗糖的运输和分配。该文总结了质子对蔗糖转运蛋白的调节和质子对己糖转运蛋白活性及功能的调节,并加以展望。     

在葡萄果实发育Ⅰ、Ⅲ期差异表达的SWEET基因家族成员的生物信息学分析

为探索SWEET基因家族在葡萄果实发育中的表达与功能,以本实验室完成的酿酒葡萄品种赤霞珠Ⅰ期和Ⅲ期果实的转录组数据为基础,筛选出在Ⅰ期和Ⅲ期表达量存在显著差异的9个SWEET基因家族成员,利用生物信息学工具,对这9个基因的基因结构、蛋白的基本理化性质、二级结构、亚细胞定位、保守基序和序列同源性等进行预测分析,并利用实时荧光定量PCR(qPCR)技术对分析结果进行验证。基因组定位结果发现这9个SWEET基因分布在7条染色体上,蛋白序列可分成4个亚族。不同成员间氨基酸数目、氨基酸序列间的疏水性存在一定的差异;二级结构预测结果显示,这9个SWEET基因的氨基酸序列以α-螺旋和无规则卷曲为主要组成部分;基因结构分析表明,除VvSWEET4含有4个内含子,其余8个均含有5个内含子;对9个SWEET基因家族成员蛋白的亚细胞定位预测分析表明:它们大多定位在质膜、叶绿体类囊体膜和液泡膜上;QPCR结果表明,在Ⅰ期和Ⅲ期差异表达的9个SWEET基因家族成员中,5个基因上调表达,4个基因下调表达,与转录组分析结果一致。     

水稻抗真菌（稻瘟病）的基因工程

稻瘟病是水稻的重要病害之一，严重时产量损失在47％左右，Collinge认为植物可能没有免疫系统，防止病原菌能力较弱。而植物在漫长的进化过程中，为了抵抗病原菌侵入，形成了一系列的防卫系统，这些防卫系统会对植物生活周期中遇到的病原菌攻击信号做出相应的反应。其中一个研究最为清楚的是防卫表达蛋白或称病原相关蛋白（Patnogenesis—related protein而称PR蛋白）。     

镰刀菌属真菌毒素在植物和病原菌互作中的研究进展

镰刀菌是世界上最重要的植物病原菌之一,可影响植物的生长发育,严重威胁全球粮食安全和生物多样性。几乎所有的镰刀菌都会产生真菌毒素,其毒素种类多、毒性强,一方面可以作为致病因子之一参与镰刀菌的致病过程,另一方面可污染粮食和饲料,进而引起人类和动物的相关病症。已有研究表明,镰刀菌侵染植物后产生的不同种类真菌毒素不仅毒害植物细胞,引起植物组织的坏死,还会加速病原菌的侵染;同时,针对病原菌产生的毒素,植物会激活防御酶并启动防御相关基因的表达,或将致病毒素转化为无毒或低毒物质并转运到胞外,或通过分泌次生代谢物直接抑制病原菌毒素的生物合成。为全面解析镰刀菌毒素在病原菌侵染植物中的作用,提高植物对病原菌的抗性,该文综述了镰刀菌属真菌毒素的种类、毒性机理以及毒素在植物和病原菌互作中的作用,并讨论了植物对真菌毒素的防御反应策略,以期为镰刀菌毒素致病机制和病原菌防治策略研究提供参考。     

番茄及灰霉菌转化酶和糖转运蛋白基因在发病期的表达研究

研究番茄叶片接种灰霉菌后番茄和病菌各自的转化酶和糖转运蛋白基因表达水平的变化规律,以阐明番茄和病菌各自的转化酶和糖转运蛋白在发病中的可能作用.通过系统测定接种后0、12、36和60 h番茄和灰霉菌的转化酶和糖转运蛋白基因的表达,结果发现,在接种后叶片逐渐发病,60 h时出现明显病斑.番茄叶片的CWIN基因LIN6表达水平在接种后12和60 h显著高于对照叶片,CWIN抑制蛋白基因INVINH1表达水平在接种后12 h也显著高于对照;番茄的2个STP基因SlSTP2和SlSTP1的表达水平分别在接种后12和60 h显著高于对照叶片;此外,番茄的3个CladeⅢSWEET基因SlSWEET10c、SlSWEET11a和SlSWEET11c在接种后12 h即显著高于对照叶片.灰霉菌胞外转化酶基因Bc1g10247的表达水平在接种叶片后大幅上升,此外BcHXT1、BcHXT6、BcHXT13这3个己糖转运蛋白的表达水平在接种后也呈大幅上升趋势.总之,番茄CWIN和STP基因表达水平的上升并不能有效诱导抗病反应并阻止灰霉菌吸收叶片中的糖分.相反,番茄CladeⅢSWEET表达的上升可能会导致蔗糖被大量转运至细胞外空间,而灰霉菌胞外转化酶和己糖转运蛋白表达量的上升则可将细胞外蔗糖分解为己糖并吸收利用,最终导致灰霉病的发生.     

植物内生菌及其防病作用研究进展

植物内生菌分布广,种类多。含有内生菌的植物宿主往往具有生长快、抗逆境、抗病害等优势,比未感染内生菌的植株更具生存竞争力。植物内生菌的防病机理主要表现在通过产生抗生素、水解酶、植物生长调节剂和生物碱类物质、与病原菌竞争营养物质,增强宿主植物的抵抗力以及诱导植物产生系统抗性等途径抑制病原菌生长。另外,对植物内生菌的分离、筛选和检测方法,利用植物内生菌控制植物病害的途径等进行了综述。     

植物水通道蛋白研究综述

植物所有的生长发育过程都与水分传导息息相关,而植物水通道蛋白(AQPs)在维持植物体内水分平衡中有着重要意义。植物水通道蛋白通过改变质膜的水分渗透性促进了水在细胞间的流动。植物水通道蛋白不仅是水选择性通道蛋白,同时还具有许多生理生化功能,是一类多功能蛋白。它在水分及其他物质运输、细胞伸长与分化、气孔运动等生理过程中均扮演着重要角色。植物水通道蛋白基因在植物所有的组织中都能够表达,有些是受环境因子或激素诱导表达的,还有一些是植物组织或器官特异表达的。从结构、生理功能和基因表达等方面综述了植物水通道蛋白研究领域最新进展。     

植物内生细菌及其生物防治植物病害的研究进展

综述了植物内生细菌及其生物防治植物病害的研究进展。植物内生细菌分布广,种类多,存在于大多数高等植物中,已在生物防治细菌性病害、真菌性病害和线虫病害方面发挥了巨大的作用。植物内生细菌的防病机理主要通过与病原菌竞争生态位和营养物质、产生抗菌活性物质以及诱导植物产生系统抗性等多种作用方式。同时,对植物内生细菌防治植物病害存在的问题及未来发展前景进行了讨论。     

花生生长素输入载体基因PNAUX1的克隆及表达模式分析

生长素作为重要的植物激素,在调节植物生长发育中起重要作用。其所具有的极性运输特性,主要通过运输载体进行调控。本研究从花生未成熟种子cDNA文库中筛选到一个可能的生长素输入载体AUX/LAX类基因,命名为PNAUX1,通过RT-PCR对其表达模式分析显示,该基因在花生各组织中为组成型表达;同时,将PCR扩增获得的目的片段与植物双元表达载体pCAMBIA1301连接,构建了正义和反义载体转化DR5∷GUS拟南芥,并获得转基因植株。     

植物与病原菌互作理论研究进展

植物病原菌与其寄主相互作用过程中,关于病原菌操控植物和植物又反抗病原菌侵染的作用机制,学术界存在多种模型和假说,从最早的Flor"基因对基因"假说到警戒假说,再从警戒假说到"诱饵"假说,再到目前学术界较为认同的Zigzag理论。对这些植物与病原菌互作理论进行了总结,着重介绍了"诱饵"假说和Zigzag理论。     

苹果黑腐皮壳菌侵染苹果枝干过程的转录组分析

苹果黑腐皮壳菌(Valsa mali var. mali)引起的苹果树腐烂病是我国苹果产区发生严重的病害之一,了解病原菌侵染寄主不同时期的基因表达有助于揭示病菌的致病机制和苹果抗病机制。本实验应用Illumina平台对苹果黑腐皮壳菌侵染不同时期的寄主枝干发病过程进行转录组测序,同时通过与未侵染的病原菌和寄主组织进行比较。在病原菌侵染过程中,病原菌中发现4092个差异表达基因,寄主中发现16966个差异基因,通过对三个时期的上调差异表达基因进行GO和KEGG分析,结果表明病原菌侵染导致了寄主细胞壁降解、毒素物质合成、寄主抗毒物质分解和自身营养调节等过程;寄主主要通过膜脂过氧化作用、活性氧清除酶和防御酶抵抗病原菌的入侵。上述研究明确了苹果黑腐皮壳菌与寄主互作的生物学过程,为探讨病菌与寄主的分子互作机制奠定基础。