蔗糖-海藻糖-6-磷酸轴在具有不同韧皮部装载和碳储存策略的开花植物中保守存在

《Journal of Experimental Botany》：The sucrose:trehalose 6-phosphate nexus is conserved in flowering plants with different phloem loading and carbon storage strategies

本研究聚焦Tre6P（海藻糖-6-磷酸）作为蔗糖稳态关键信号分子的功能保守性。为解决拟南芥中建立的蔗糖:Tre6P轴是否普遍存在于其他物种的问题，研究人员对六种不同韧皮部装载策略的开花植物叶片进行代谢物时序分析。结果表明Tre6P与蔗糖呈正相关且与苹果酸存在保守关联，证实该信号轴广泛存在于被子植物中，为植物碳分配调控机制提供了进化视角。

　　

在绿色植物的生命活动中，蔗糖如同血液般承担着碳运输的核心使命。这种非还原性二糖不仅是光合作用的主要产物，更是连接“源”（如叶片）与“库”（如果实、根系）的生命线。然而，植物界存在着令人惊叹的多样性：不同物种演化出了截然不同的蔗糖运输策略。有些植物像拟南芥和小麦那样，通过消耗能量的“主动装载”方式将蔗糖泵入韧皮部；而另一些如草莓和羽衣草，则采用“被动扩散”的方式，依靠高浓度梯度驱动蔗糖流动；更有甚者如甜瓜，会巧妙地将蔗糖转化为更大的棉子糖家族寡糖（RFOs），实现“聚合物陷阱”式的装载。面对如此多样的运输策略，一个根本性问题浮现出来：调控蔗糖稳态的核心信号机制是否具有普遍性？

在拟南芥中，科学家们发现了一种名为海藻糖-6-磷酸（Tre6P）的信号分子，它与蔗糖浓度保持着精妙的平衡关系，被称为“蔗糖:Tre6P轴”。Tre6P如同一个智能传感器，通过调控蔗糖的合成、转运和利用，确保植物碳代谢的稳定运行。例如，在光照下，Tre6P通过翻译后调控磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）和硝酸还原酶，影响光合产物在蔗糖和氨基酸之间的分配；夜间则调节临时淀粉降解产生蔗糖的速率。在分生组织等库器官中，Tre6P通过整合植物激素信号和SUCROSE-NON-FERMENTING-1-RELATED PROTEIN KINASE 1（SnRK1）途径，根据蔗糖可用性调控生长发育决策。这种信号分子主要在其皮部及其周边细胞合成，恰好位于源-库组织的交界处，战略位置凸显其系统感知蔗糖状态的重要功能。

尽管在拟南芥中这一机制已被深入阐释，但其普遍性仍存疑问。开花植物在数亿年进化中形成了迥异的碳代谢模式，Tre6P的信号功能是否保守？它能否适应不同的韧皮部装载策略？这些问题对理解植物碳代谢调控的进化规律至关重要。为此，由马克斯·普朗克分子植物生理研究所John E. Lunn和杜塞尔多夫大学Franziska Fichtner领导的研究团队开展了一项跨物种比较研究，成果发表在《Journal of Experimental Botany》上。

研究人员选取了六种具有代表性的开花植物：拟南芥（Arabidopsis thaliana）、小麦（Triticum aestivum）、车前草（Plantago major）、羽衣草（Alchemilla mollis）、草莓（Fragaria × ananassa）和甜瓜（Cucumis melo）。这些物种覆盖了三种主要韧皮部装载类型：拟南芥和小麦代表质外体装载，羽衣草和草莓代表共质体被动装载，甜瓜则采用共质体主动装载的“聚合物陷阱”机制。车前草作为特殊案例，同时运输蔗糖和山梨醇。研究团队在严格控制的环境条件下培养这些植物，并在24小时昼夜周期内以0.5-4小时间隔采集完全展开的源叶叶片。

关键技术方法包括：通过酶法测定可溶性糖（葡萄糖、果糖、蔗糖）和淀粉含量；使用氯仿/甲醇提取后经高效阴离子交换液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）检测Tre6P、磷酸化中间体和有机酸；对标准化代谢物数据进行主成分分析（PCA）、层次聚类和基于图形高斯模型（GGM）的网络分析，以揭示物种间代谢差异和代谢物关联模式。

Tre6P与蔗糖的相关性在不同韧皮部装载策略的物种中保守

研究发现不同物种间蔗糖和Tre6P水平存在巨大差异。被动共质体装载物种羽衣草和草莓的蔗糖含量最高（约30 μmol/g鲜重），显著高于其他物种。甜瓜作为主动共质体装载者，蔗糖含量居中（约10 μmol/g），而质外体装载物种中，小麦的蔗糖水平（3-12 μmol/g）高于拟南芥和车前草（2-4 μmol/g）。Tre6P水平差异更为显著，甜瓜含量最高（20-50 nmol/g），是其他物种的20-100倍；羽衣草和草莓居中（1-3 nmol/g）；拟南芥、车前草和小麦最低（0.1-0.8 nmol/g）。

尽管绝对值差异巨大，所有六个物种在整个昼夜周期中Tre6P与蔗糖均呈现显著正相关。拟南芥相关性最强（r=0.91），其次是甜瓜（r=0.77）、小麦（r=0.67）、草莓（r=0.68）、车前草（r=0.57）和羽衣草（r=0.40）。将昼夜样品分开分析后，除车前草白天样品外，其他物种在白天和夜间均保持显著相关性。甜瓜中Tre6P还与棉子糖呈正相关（r=0.70），但与水苏糖无相关性。Tre6P与蔗糖的比值在物种间也差异显著，甜瓜最高（中位数2.77 nmol/μmol），其他物种比值低且相近（0.04-0.09 nmol/μmol）。

主成分分析和代谢物聚类区分不同韧皮部装载策略

主成分分析显示，三种主要韧皮部装载策略在代谢特征上可被区分。PC2能有效区分被动共质体装载者（羽衣草、草莓）、质外体装载者（拟南芥、车前草、小麦）和主动共质体装载者（甜瓜）。PC3进一步将质外体与共质体装载者分开。代谢物聚类分析表明，每个物种的昼夜样品各自成簇，质外体装载者拟南芥和车前草聚为一类，而小麦与共质体物种聚类，甜瓜则独自成簇。这种聚类模式主要由2-氧代戊二酸（2-OG）、3-磷酸甘油酸（3-PGA）、磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）等代谢物驱动。

相关性网络分析揭示物种间代谢网络差异

网络分析基于图形高斯模型（GGM），控制了其他代谢物的影响，更能反映特异性关联。结果显示蔗糖与Tre6P的连接在五个物种（拟南芥、小麦、羽衣草、草莓、甜瓜）中保守存在，唯一例外是车前草。车前草中Tre6P与蔗糖的相关性较弱，而与葡萄糖-1,6-二磷酸（Glc1,6bP）、果糖-1,6-二磷酸（Fru1,6bP）、蔗糖-6-磷酸（Suc6P）等糖磷酸酯关联更强。跨物种分析还发现Tre6P与苹果酸存在保守关联，这一联系在小麦和甜瓜的特有网络中也得到验证。

细胞内区室化对蔗糖-Tre6P关系的影响

讨论部分指出，Tre6P与蔗糖的正相关性可能反映了Tre6P对血管运输池蔗糖的特异性感知。在拟南芥中，TREHALOSE-6-PHOSPHATE SYNTHASE1（TPS1）主要在其皮部表达，Tre6P合成位于细胞质和细胞核。由于拟南芥叶片液泡储存蔗糖较少，全叶测量能强烈反映运输池蔗糖水平。而在小麦等储存大量液泡蔗糖的物种中，运输池信号可能被稀释，导致相关性减弱。共质体装载物种由于叶肉细胞与其皮部细胞的连通性，Tre6P可能同时反映两者蔗糖水平，但本研究中发现的相关性较弱可能与蔗糖波动范围较小有关。车前草中Tre6P与糖磷酸酯的强关联暗示该物种可能对蔗糖:Tre6P轴进行了适应性调整，将Tre6P与山梨醇生产相联系。

Tre6P与苹果酸的关联暗示保守代谢调控

Tre6P与苹果酸的网络关联具有重要生物学意义。前期研究表明Tre6P可通过调控PEPC调节碳流向苹果酸的补充回补途径。本研究结果提示这一调控机制可能在多种植物中保守存在，甚至可能追溯到陆地植物进化之前。

本研究首次通过跨物种比较证实了蔗糖:Tre6P轴在开花植物中的保守性。尽管不同物种采用多样的韧皮部装载和碳储存策略，Tre6P作为蔗糖稳态核心调节器的功能被广泛保留。这种保守性表明该信号轴是植物碳代谢调控的基石机制。同时，物种间Tre6P水平、Tre6P/蔗糖比值和代谢网络结构的差异也体现了该信号系统的适应性演化能力，能够根据不同物种的生理需求进行微调。这些发现不仅深化了对植物碳分配调控机制的理解，也为作物改良提供了重要理论基础，表明针对Tre6P信号途径的遗传操作可能在不同作物中产生普遍性效果。