SWEET1介导的葡萄糖转运对拟南芥的能量供应至关重要

《New Phytologist》：SWEET1-mediated glucose transport is crucial for energy availability in Arabidopsis

种子萌发过程中，ABA通过抑制糖转运蛋白活性阻碍萌发。本研究发现，SWEET1介导的葡萄糖转运是缓解ABA抑制的关键机制，且该过程依赖于SnRK1信号通路。通过基因编辑和转录组分析，证实SWEET1在ABA存在下负责葡萄糖的跨膜运输，并通过激活SnRK1抑制ABA下游靶基因（如ABI5），从而解除ABA对种子萌发的抑制。此外，SWEET1在根发育中起重要作用，其功能缺失导致根系生长受阻。

　　植物种子萌发是其生命周期中的第一个关键阶段，这一过程涉及复杂的生理和生化变化，包括水分吸收、代谢重启、DNA修复以及线粒体重建等，最终导致胚根从种子中突破。种子萌发受到环境刺激和内在激素的严格调控，其中脱落酸（ABA）作为一种重要的逆境响应激素，在种子萌发抑制中起着核心作用。ABA不仅参与维持种子休眠，还通过限制可溶性糖的可用性，抑制种子萌发，这通常伴随着能量匮乏的状况。然而，研究发现外源葡萄糖（Glc）能够有效缓解ABA引起的萌发抑制，这种效应模拟了ABA与糖信号之间的功能互作。尽管已知糖信号在种子萌发中发挥重要作用，但目前尚不清楚在ABA处理条件下，具体是哪种糖转运蛋白负责Glc的分配，并且Glc是如何拮抗ABA作用的。

为了揭示这一机制，研究人员结合了转录组分析、转运活性测定、生理学实验和遗传学方法，对拟南芥（*Arabidopsis thaliana*）种子萌发过程中，Glc分配如何抵消ABA抑制效应进行了系统解析。研究发现，质膜定位的Glc转运蛋白SWEET1是Glc介导缓解ABA抑制的关键因子。在ABA存在的情况下，*sweet1*突变体表现出萌发延迟、Glc吸收能力下降以及能量饥饿条件下根系生长受限的表型。SWEET1介导的Glc转运对ABA抑制萌发的缓解作用，至少部分依赖于Glc通过SnRK1激酶通路（包括KIN10）传递的信号。这些发现表明SWEET1在种子萌发过程中对于缓解ABA引起的抑制具有关键作用，并为理解由逆境或ABA激发的能量缺乏相关的糖信号通路提供了新的分子机制见解。

ABA在植物体内被诱导，特别是在干旱和盐胁迫条件下，它通过多种途径影响植物的生理活动。在种子萌发过程中，ABA抑制萌发可能与细胞内能量供应不足有关。此前的研究表明，低浓度的Glc、蔗糖（Suc）或果糖（Fru）能够缓解ABA对种子萌发的抑制作用，这表明ABA对萌发的抑制可能反映了能量和营养的限制，而不仅仅是简单的营养缺乏。在萌发种子中，可溶性糖的水平与萌发速度正相关，而这些糖主要来源于内部储存的淀粉降解。然而，成熟的拟南芥种子中淀粉含量极少，仅存在于下胚轴，主要储存的是脂质作为碳源。在萌发过程中，脂质被分解为乙酰辅酶A，进入乙醛酸循环，生成四碳中间产物，这些中间产物通过糖异生转化为蔗糖，再进一步代谢为Glc和Fru，用于支持生长。

拟南芥中已知的多个糖信号通路，如Hexokinase 1（HXK1）、RGS1、TOR和SnRK1通路，都参与了能量状态的感知。在酵母中，能量匮乏和环境胁迫，如钠离子胁迫和碱性pH条件，都能激活SNF1信号通路。植物中的SnRK1与酵母的SNF1具有相似的功能，对能量匮乏如缺氧和长时间黑暗作出反应。SnRK1和TOR在进化上具有保守性，它们虽然都能感知能量状态，但在维持能量平衡方面起着拮抗作用。然而，目前尚不清楚在种子萌发过程中，哪种糖信号通路参与了Glc对ABA的拮抗作用。

研究发现，在ABA处理的种子中，编码糖转运蛋白的基因如STP1、STP4和SWEET15的表达被抑制，这可能意味着它们在ABA处理的种子中对Glc吸收的贡献有限，因此不太可能在糖拮抗ABA的过程中起关键作用。进一步的实验表明，*sweet1*突变体在ABA处理下无法通过Glc缓解萌发抑制，而其他突变体如*stp1-1*、*stp13-1*、*plt4*和*plt5*则没有表现出明显的表型差异。此外，*sweet1*突变体在ABA和Glc共同作用下表现出的萌发缺陷可以通过SWEET1-YFP翻译融合蛋白得到恢复，这表明SWEET1在ABA处理下仍保持其功能，可能在种子萌发过程中发挥关键作用。

SWEET1在不同组织中的表达模式表明，它可能在种子萌发后参与糖的分配。通过SWEET1-GUS报告基因分析，研究人员发现SWEET1在干种子中表达活跃，并在整个胚中保持高表达，除了胚根尖端。在萌发后的阶段，SWEET1在根尖和新出现的真叶中积累，这一表达模式可能与其在根部发育中的作用有关。SWEET1在根尖和真叶中的高表达提示它可能参与糖的转运和分配，从而支持根的生长和发育。在ABA处理的条件下，*sweet1*突变体的根部生长受到显著抑制，这表明SWEET1可能在ABA处理下维持糖的供应，进而支持根部发育。

此外，研究还发现SWEET1的表达模式与ABA和Glc的处理条件相关。在萌发的种子中，Glc能够稍微提升SWEET1的表达水平，但在24小时后表达水平趋于稳定，而在48小时后，Glc、ABA和Glc+ABA的处理都能显著提升SWEET1的表达。这表明SWEET1可能在多种条件下都具有重要作用，尤其是在ABA处理下，它可能通过维持糖的供应来对抗ABA的抑制作用。相比之下，STP1和STP4的表达在ABA处理下被显著抑制，而这些基因在Glc处理下仍能维持一定的表达水平，这表明它们可能在低浓度Glc条件下起作用，但在高浓度Glc条件下，SWEET1成为主要的转运蛋白。

研究还表明，SWEET1的表达和活性与SnRK1信号通路密切相关。在ABA+Glc处理下，SWEET1突变体中SnRK1通路的关键基因如DIN6、DRM1和DRM2的表达水平显著升高，这表明SnRK1通路在*Sweet1*突变体中更加活跃。而KIN10作为SnRK1复合体的关键催化亚基，其表达水平在*Sweet1*突变体中也显著提高，这可能是因为Glc未能有效缓解ABA对SnRK1的抑制作用。通过基因表达分析，研究人员发现ABI5和其同源基因ABF4和EEL在*Sweet1*突变体中表达水平更高，这表明这些基因可能在ABA+Glc条件下起着调控作用。然而，ABI5蛋白在*Sweet1*突变体中并未表现出显著的差异，这可能意味着ABI5的调控并不完全依赖于SWEET1。

在种子萌发过程中，Glc对ABA的拮抗作用可能与多种机制相关。一方面，Glc可能通过维持能量供应来对抗ABA的抑制作用；另一方面，Glc可能通过调控SnRK1通路来影响ABA信号。研究发现，在ABA处理下，Glc能够抑制SnRK1的活性，从而减少其对ABA信号的响应。这种机制可能与糖磷酸如葡萄糖-6-磷酸（G6P）和海藻糖-6-磷酸（T6P）的生成有关，这些糖磷酸能够直接抑制SnRK1的活性。因此，Glc通过促进糖磷酸的生成，可能间接抑制了SnRK1的活性，从而缓解ABA对萌发的抑制作用。

此外，研究还发现SWEET1在种子萌发后的阶段也参与根部发育的调控。在ABA处理下，SWEET1突变体的根部生长受到显著抑制，而通过引入SWEET1-YFP翻译融合蛋白，可以部分恢复根部生长。这表明SWEET1在根部发育中可能通过调节糖的供应，影响根部细胞的分裂和生长。而在萌发阶段，SWEET1可能通过维持糖的供应，对抗ABA的抑制作用。这些发现提示SWEET1在种子萌发过程中可能通过不同的机制发挥作用，既包括在萌发前的糖吸收，也包括在萌发后的根部发育。

SWEET1的功能可能受到其表达模式和转运能力的影响。在低浓度Glc条件下，STPs可能比SWEET1更高效，因为它们具有更高的亲和力（Km值在微摩尔范围内）。而在高浓度Glc条件下，SWEET1可能成为主要的转运蛋白，因为其亲和力在毫摩尔范围内。因此，在不同的条件下，糖的分配可能依赖于不同的转运蛋白。ABA可能通过抑制STPs的表达，从而减少糖的供应，进而影响种子萌发。在萌发的后期阶段，当可溶性糖的水平上升时，低亲和力的SWEET1可能在维持糖的供应中发挥更重要的作用。如果在这一阶段发生不利条件，种子可能不再进入休眠，而是需要高效的糖分配来对抗ABA并促进萌发。

SWEET1不仅能够吸收Glc，还可能将其运输到细胞壁空间。这种机制允许Glc从富含糖的细胞或组织运输到贫乏的细胞或组织，这在对称连接受限的情况下尤为重要。拟南芥的胚胎与子叶、茎尖、下胚轴和根在对称连接上是相互隔离的，因此SWEET1在胚胎表皮细胞中的表达可能使其能够吸收来自子叶或其它组织的Glc。这种吸收可能有助于维持胚胎内的能量供应，从而对抗ABA的抑制作用。同时，SWEET1可能参与Glc从胚胎其他部位向下胚轴的运输，因为ABA处理下Glc的供应受限，而下胚轴的伸长是种子萌发完成的关键。

此外，研究还发现SWEET1在ABA处理下可能通过不同的信号通路影响种子萌发。在萌发过程中，Glc可能通过SnRK1通路来拮抗ABA的抑制作用，而在萌发后，Glc可能通过TOR通路来促进根部细胞的分裂和生长。这些发现表明，SWEET1在种子萌发的不同阶段可能通过不同的机制发挥作用，从而影响整个萌发过程。

SWEET1的表达模式和功能可能受到环境条件的影响。例如，在ABA处理下，SWEET1的表达可能被抑制，从而影响其在种子萌发中的作用。然而，在Glc存在的情况下，SWEET1的表达可能被激活，进而促进糖的吸收和分配。这表明SWEET1的表达和功能可能与环境条件密切相关，特别是在能量匮乏的条件下，其表达可能被上调以维持糖的供应。

总的来说，这项研究揭示了SWEET1在种子萌发过程中对ABA抑制作用的拮抗作用。SWEET1通过吸收和分配Glc，可能在萌发过程中提供必要的能量支持，从而缓解ABA对萌发的抑制。此外，SWEET1可能通过调控SnRK1和TOR通路，影响种子萌发的不同阶段。这些发现不仅加深了我们对糖信号通路在种子萌发中的作用的理解，也为植物在逆境条件下如何通过调控糖的供应来维持正常生长提供了新的视角。