摘要
气候变化的不确定性加剧了木本多年生植物在冬季生存和春季生长过程中对碳水化合物储备利用灵活性的需求。在杨树中，单拷贝的 SUT4 基因编码一种位于液泡中的蔗糖转运蛋白，而 SUT5/SUT6 基因重复序列编码位于质膜中的转运蛋白，这两种蛋白全年都表达，其中 SUT4 在寒冷季节的表达量最高。鉴于其在液泡中蔗糖外流以及冬季高表达的特点，SUT4 可能在调节季节性碳水化合物动态中发挥关键作用。虽然已经在温室条件下研究了 SUT4 的敲低（knockdown）效应，但其在大田条件下的影响尚未得到探索。在这里，我们报道了一项基于大田的研究，比较了在 Populus tremula × alba 中表达的冬季特异性 SUT4 和 SUT5/SUT6 的 CRISPR 敲除突变体。研究结果表明，与对照组相比，sut4 突变体表现出更早的秋季叶片衰老、春季芽萌发延迟、茎干生长减缓以及冬季木质部和树皮中糖分分配的改变。经过两年的大田观察，所有基因型都在早春叶片萌发之前开花；然而，sut4 突变体产生了不育的胚珠，尽管其葇荑花序看起来正常。代谢分析显示，sut4 突变体的葇荑花序中蔗糖和棉子糖的动态发生了紊乱。这伴随着应激反应的增强以及原花青素生物合成和生物钟相关基因的表达下调。这些发现突显了 SUT4 在协调杨树糖分分配、应激响应和季节性发育中的关键作用。
引言
温带地区的木本多年生植物会经历一个由温度和日照长度等季节性信号驱动的年度生长-休眠-再生长周期。在秋季落叶后，这些植物依靠储存的碳水化合物储备来支持度过休眠期、开花以及春季叶片的再生（Cook 等人，2012；Rohde & Bhalerao，2007；Savage & Chuine，2021）。气温上升和气候变异性增加加剧了季节性天气转变的时间、进程及其生理后果的不确定性（Calinger & Curtis，2023；Rohde 等人，2011；Tanino 等人，2010）。对于多年生植物而言，这种不确定性凸显了碳水化合物吸收、储存和再利用的灵活性对其长期适应能力的重要性。
在这个过程中，液泡中的蔗糖转运蛋白 SUT4
可能起着重要作用，它负责将蔗糖从液泡转运到细胞质中（Payyavula 等人，2011；Reinders 等人，2008；Schneider 等人，2012）。SUT4 的表达对干旱和温度胁迫敏感，且其表达受激素和光照质量的调控，使其成为碳水化合物运输灵活性中的一个关键因素（Chincinska 等人，2013；Gong 等人，2015；Xu 等人，2017；Xue 等人，2016）。在杨树（Populus）物种中，SUT4 在越冬茎和芽中的表达水平远高于夏季（Ko 等人，2011；Sreedasyam 等人，2023；Tuma 等人，2024），这表明它可能具有季节性功能。根据在 Populus tremula × alba INRA 717-1B4（以下简称 717）活跃生长期间 SUT4 对水分平衡和非生物胁迫耐受性的重要性（Frost 等人，2012；Harding 等人，2020；Harding 等人，2022；Xue 等人，2016），SUT4 也可能在越冬过程中具有营养和/或保护作用。一项使用 SUT4 敲除（KO）717 突变体的研究证明了 SUT4 在冬季温室条件下促进隐芽萌发和早期生长的作用（Tuma 等人，2024）。尽管 sut4 和野生型（WT）植物之间的淀粉和蔗糖消耗量相似，但突变体的隐芽释放和芽生长受到抑制，这与液泡中蔗糖外流受阻有关（Tuma 等人，2024）。值得注意的是，sut4 突变体的冬季茎中棉子糖含量较高，且砍伐后的下降幅度比 WT 更大。棉子糖是一种由细胞质中的蔗糖直接合成的三糖（Schneider & Keller，2009），已知它有助于膜稳定性、活性氧（ROS）的清除以及抵御冬季冷冻（Ameglio 等人，2004；Regier 等人，2010）。棉子糖的积累受多种非生物胁迫信号通路调控（Khan 等人，2021；Noronha 等人，2022；Pluskota 等人，2015），这可能解释了为什么其含量与 SUT-KO 或敲低（KD）杨树中的 SUT4 表达不一致（Frost 等人，2012；Harding 等人，2022；Tuma 等人，2024）。此外，WT 和 SUT4-KD 材株的储水能力和弹性模量也有所不同（Harding 等人，2020）。在干旱胁迫下，叶片相对含水量的下降趋势在 WT 和 SUT4-KO 或 KD 材株中也存在差异（Harding 等人，2022）。这些发现表明，SUT4 的代谢效应受到多种胁迫信号通路的影响——有些通路直接调节 SUT4 的表达（Gong 等人，2015），而有些通路则受到 SUT4 活性的调控（Xue 等人，2016）。
在非胁迫条件下，通过过表达 半乳糖醇合成酶 基因（galactinol synthase），转基因杨树的生长、细胞壁组成和导管发育发生了变化（Unda 等人，2017）。虽然这些变化不一定依赖于棉子糖，但春季芽的萌发和生长恢复部分受到茎导管结构、新木质部形成时间以及冬季后的水分运输能力的影响（Lechowicz，1984；Perrin 等人，2017）。更广泛地说，棉子糖可能调节水杨酸信号通路（La Mantia 等人，2017）。在杨树中，水杨酸已被证明会影响碳向类黄酮衍生的原花青素（即缩合单宁）的分配，而原花青素在叶片中具有保护作用（Gourlay & Constabel，2019；Ullah 等人，2019）。原花青素在生殖发育过程中也具有保护作用（Debeaujon 等人，2000；Dixon & Sarnala，2020）。
在杨树中，类型 I 的 SUT 转录本（SUT1 和 SUT3 基因重复序列）仅在夏季表达，而广泛表达的类型 II（SUT5 和 SUT6 基因重复序列）和类型 III（单拷贝的 SUT4）转录本则全年都存在，其中 SUT4 在寒冷季节的表达量最高（Ko 等人，
