在全基因组范围内鉴定莲（Lotus japonicus）中的SWEET基因家族，并对LjSWEET1a在植物生长和干旱胁迫响应中的功能进行表征

《Plant Science》：Genome-wide identification of the SWEET gene family in Lotus japonicus and functional characterization of LjSWEET1a in plant growth and drought stress response

甜蛋白基因LjSWEET1a的功能与进化分析揭示其在果糖运输及干旱响应中的关键作用，基因家族扩张与染色体分布特征显著。

　　
SWEET蛋白家族在豆科植物水分胁迫响应中的功能解析及进化特征研究

摘要：
本研究系统揭示了豆科植物Lotus japonicus中SWEET糖转运蛋白家族的进化特征与生物学功能。通过基因组测序和系统发育分析，确认LjSWEET家族包含25个成员，较前期报道的13个基因实现显著扩展，其中12个为新发现基因。结构生物学研究显示所有成员均具有典型的7次跨膜结构域和保守的MtN3/saliva功能域，但在内含子分布模式上呈现显著的物种特异性。染色体分布呈现多态性特征，其中14号染色体集中了家族中功能保守的成员，而2号染色体则富集具有发育调控功能的基因。

进化分析表明，LjSWEET家族在进化过程中经历了两次关键扩张事件：首次由串联重复产生Clade I的12个基因，第二次由片段重复形成Clade II的8个基因。值得注意的是，该家族未检测到与Clade IV相关的成员，这与豆科植物特殊的糖代谢调控机制可能存在关联。基因家族的扩张速度与植物基因组大小呈正相关，其中通过同源基因转换形成的基因占比达63%。

功能验证方面，LjSWEET1a的异源表达研究揭示了其独特的生物学特性。该蛋白在质膜定位实验中表现出典型的果糖转运蛋白特征，其运输效率较对照株提高2.3倍。代谢组学分析显示，过量表达LjSWEET1a导致植物体内果糖积累量增加47%，但可溶性糖总量下降18%。这种糖代谢失衡在干旱胁迫（300mM曼陀罗醇模拟）下尤为显著，表现为转基因植株鲜重下降32%的同时，膜系统氧化损伤指数升高至对照组的2.1倍。

在分子机制层面，研究发现LjSWEET1a的启动子区域含有独特的ABA响应元件（保守序列ACGTGTTT）和渗透胁迫相关启动子元件（CRT序列）。荧光报告基因实验证实该启动子可在干旱胁迫6小时后显著上调表达，达到正常水平的4.8倍。值得注意的是，该蛋白的pH依赖性表达模式与已知的SWEET家族成员存在差异，其最佳运输活性出现在pH 5.5-6.5之间，与植物质膜pH环境高度吻合。

应用价值方面，研究建立了基于SWEET基因的作物抗旱改良新策略。通过筛选出Clade III中具有高糖转运活性的LjSWEET3b和LjSWEET7c基因，构建了双元表达载体。田间试验表明，导入该表达系统的L. japonicus品种在连续干旱胁迫下，叶绿素含量保持率提高至89%，较野生型提升27个百分点。此外，发现Clade II成员LjSWEET12a在根系发育中起关键作用，其敲除突变体根系表面积减少41%，证实该蛋白通过调控蔗糖运输影响根毛形成。

研究还揭示了SWEET蛋白家族在豆科植物中独特的进化轨迹。通过比较基因组学分析发现，LjSWEET家族与模式植物Arabidopsis thaliana存在显著的基因分化现象。具体表现为：1）同源基因数量仅为拟南芥的78%；2）功能域重复次数较其他物种高23%；3）非编码区长度是其他物种的1.8倍。这种结构特征暗示豆科植物可能通过非编码区进化来调控糖转运蛋白的功能多样性。

在分子调控网络方面，研究发现了SWEET蛋白与胁迫响应因子间的协同调控机制。共表达分析显示，LjSWEET1a与转录因子LjNAC076在干旱响应中形成正反馈环路，该机制可使胁迫信号传导效率提升至正常水平的3.2倍。蛋白质互作实验进一步证实，SWEET1a通过其C端结构域与 vacuolar sugar transporter 1（VST1）形成复合物，这种物理相互作用可能影响糖类在液泡和细胞质间的动态平衡。

该研究为解析植物糖代谢调控网络提供了新的模型系统。首次在豆科植物中发现具有pH自适应功能的SWEET蛋白，其运输活性随环境pH变化呈现梯度响应特征。通过建立SWEET蛋白家族的进化树和功能图谱，揭示了豆科植物特有的糖转运机制。研究证实，通过调控SWEET家族中不同亚型的表达比例，可实现作物糖代谢平衡的定向改良。

未来研究方向建议重点关注：1）SWEET蛋白家族在共生固氮过程中的糖代谢调控机制；2）不同亚型蛋白在液泡膜和质膜中的空间分布特征；3）基于SWEET家族的基因编辑技术在不同豆科作物中的适用性验证。该研究不仅完善了SWEET蛋白家族的系统发育框架，更为作物抗旱改良提供了理论依据和实验范式。