磷酸化和泛素化协同调控负责果实糖分积累的番茄转运蛋白的稳态

《Journal of Genetics and Genomics》：Phosphorylation and ubiquitination coordinate homeostasis of a tomato transporter responsible for fruit sugar accumulation

本研究发现番茄SlSWEET16糖转运蛋白通过C末端磷酸化和泛素化协同调控稳定性，基因编辑敲除SlSWEET16导致果实糖分积累增加，揭示了糖转运蛋白磷酸化-泛素化互作机制对果实糖分调控的新方面。

　　

Bangqian Song|Yong Kang|Xi Zheng|Zhengguo Li|Yulin Cheng

中国重庆大学生命科学学院植物激素与分子育种重点实验室，重庆 401331

摘要

不同转运蛋白介导的糖转运对维持植物体内的糖稳态至关重要。本研究报道了磷酸化和泛素化协同调节番茄（Solanum lycopersicum）中的糖转运蛋白SlSWEET16的稳态，揭示了植物糖稳态的新机制。SlSWEET16定位于质膜上，具有单糖和双糖转运功能。SlSWEET16参与细胞内糖的输出过程，而CRISPR/Cas9技术敲除SlSWEET16会导致果实中糖分积累增加。值得注意的是，SlSWEET16的C端同时受到磷酸化和泛素化的修饰。两种蛋白激酶SlSnRK2.3和SlSnRK2.4与SlSWEET16的C端结合，从而增加其稳定性；另一方面，E3泛素连接酶SlTT3.1L2则降低其稳定性。SlSnRK2.3和SlSnRK2.4抑制果实糖分的积累，而SlTT3.1L2则促进这一过程。对SlSWEET16 C端磷酸化或泛素化位点的突变进一步证实了磷酸化和泛素化对其稳定性和果实糖分积累的调控作用。我们的研究揭示了一个多蛋白调控模块，该模块整合了多种翻译后修饰机制来控制转运蛋白介导的果实糖分积累。

引言

作为光合作用的产物，糖分是细胞活动的主要碳源，并作为能量来源或信号分子支持植物的生长和发育（Ruan, 2014）。多肉果实是人类饮食的重要组成部分，其甜度取决于可溶性糖（主要是蔗糖、葡萄糖和果糖）的积累（Zhu et al., 2021; Ren et al., 2023）。糖分含量是许多多肉果实（如番茄Solanum lycopersicum）的重要品质指标，番茄是全球最重要的蔬菜作物之一，也是研究多肉果实的重要模式植物（Zhu et al., 2018）。探讨果实糖分积累的调控机制对于提高果实品质具有重要意义。

源叶中的糖分可以通过韧皮部系统运输到不同的 sink 器官（包括果实），糖转运蛋白在“源-汇”糖转运和果实糖分积累中起关键作用（Wen et al., 2022; Zhang et al., 2023）。大多数植物中有三个主要的糖转运蛋白家族：蔗糖转运蛋白（SUTs/SUCs）、单糖转运蛋白（MSTs）和糖输出转运蛋白（SWEETs）（Wen et al., 2022）。糖稳态对细胞功能至关重要，不同转运蛋白介导的糖转运有助于维持植物体内的糖稳态（Wan et al., 2018; Zhu et al., 2021）。质膜上的糖转运蛋白对于细胞糖稳态至关重要，大量糖转运蛋白定位于质膜上，负责糖分向液泡的运输（Hedrich et al., 2015）。最近的研究表明，两类质膜糖转运蛋白在糖分向液泡的运输中存在协同作用（Zhu et al., 2021; Zhu et al., 2023）。此外，许多糖转运蛋白还参与细胞内糖分的输出，从而维持细胞糖稳态（Wen et al., 2022）。SWEET蛋白是一类独特的植物糖转运蛋白，主要负责细胞内糖分的输出，根据蛋白质序列可分为四个进化支系（Chen et al., 2012; Xue et al., 2022）。在模式植物拟南芥中，支系I、II和IV的成员主要转运单糖，而支系III的成员主要转运蔗糖（Breia et al., 2021）。然而，定位于番茄质膜上的SlSWEET7a和SlSWEET14（分别属于支系II和III）既能转运单糖也能转运蔗糖，但会抑制果实糖分的积累（Zhang et al., 2021）。越来越多的证据表明，某些MST和SUT蛋白也参与细胞内糖分的输出和糖稳态的调控（Doidy et al., 2012; Li et al., 2024a）。

目前已知有超过400种不同的翻译后修饰（PTMs），其中磷酸化和泛素化是最常见且最重要的两种（Ramazi and Zahiri, 2021）。PTMs通过影响蛋白质功能的多个方面，在植物生理过程中发挥关键作用（Dai Vu et al., 2018; Ramazi and Zahiri, 2021）。先前的研究表明，蛋白激酶介导的糖转运蛋白磷酸化可以增强它们对生物和非生物胁迫的响应（Yamada et al., 2016; Ma et al., 2019; Xu et al., 2020; Chen et al., 2022）。蔗糖非发酵1相关蛋白激酶（SnRKs）是一类特异性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，分为三个亚家族，在非生物胁迫响应中起重要作用（Mondal et al., 2024）。SnRK2亚家族包含一个保守的蛋白激酶结构域和一个可变的C端结构域（Zhu et al., 2020），拟南芥中的SnRK2激酶可以磷酸化SWEET转运蛋白，从而增强其活性并调节干旱胁迫（Chen et al., 2022）。最新研究还表明泛素化参与糖转运蛋白介导的植物生理过程，拟南芥的E2泛素连接酶UBC34和马铃薯的E3泛素连接酶StRFP1可与糖转运蛋白相互作用，促进其降解（Xu et al., 2020; Wu et al., 2024）。多种PTMs可以同时修饰同一蛋白质，PTMs之间的相互作用在协调植物生理过程中的重要性日益受到关注（Dai et al., 2018; Zhang and Zeng, 2020）。拟南芥的蔗糖转运蛋白SUC2受到磷酸化和泛素化的双重调控，磷酸化增强其转运活性，而泛素化则降低其稳态（Xu et al., 2020）。通过进一步研究同时受到磷酸化和泛素化调控的糖转运蛋白，将有助于更深入理解糖转运蛋白介导的植物生理过程。

在本研究中，我们发现番茄转运蛋白SlSWEET16受到磷酸化和泛素化的共同调控。SlSWEET16参与细胞内糖的输出，敲除SlSWEET16会导致果实糖分积累增加。两种SnRK2激酶介导的磷酸化和E3连接酶SlTT3.1L2介导的泛素化共同调节SlSWEET16的稳态和果实糖分积累，揭示了植物糖稳态的新机制。值得注意的是，SlTT3.1L2属于一类跨膜E3连接酶，这类酶的研究尚不充分，但受到越来越多的关注（Liu et al., 2013; Yan et al., 2024; Zhang et al., 2022），这为果实糖分积累的分子机制提供了新的见解。

番茄糖转运蛋白SlSWEET16的特征

属于支系I、II和III的某些番茄SWEET蛋白的功能已经得到研究（Ho et al., 2019; Zhang et al., 2021; Ko et al., 2022）。支系IV的成员包括SlSWEET16和SlSWEET17（Ho et al., 2019），但它们在番茄中的功能尚未明确。利用MMN（MicroTom代谢网络）转录组数据集（Li et al., 2020）分析其表达谱，发现SlSWEET16在番茄果实中的表达模式

讨论

先前的研究表明，许多不同的糖转运蛋白（包括最近的苹果MdSWEET9b）对果实糖分积累有积极作用（Wen et al., 2022; Zhang et al., 2023）。相比之下，本研究发现定位于质膜上的SlSWEET16对果实糖分积累有抑制作用，因为敲除SlSWEET16后，果实中的蔗糖、葡萄糖和果糖含量增加。类似的结果也在番茄中得到验证

植物材料及生长条件

本研究使用番茄（S. lycopersicum）品种Micro-Tom和烟草N. benthamiana作为植物材料。为了利用CRISPR/Cas9基因编辑技术生成SlSWEET16敲除番茄突变体，设计了两种gRNA，并将目标序列克隆到pBWA(V)Hu-35S-Cas9载体中（Xiong et al., 2022）。番茄和烟草植物在温室中生长，光照周期为16/8小时，昼夜温度为25/20°C，相对湿度为60%。

未引用的参考文献

Liu et al., 2014.

数据获取

本研究的支持数据包含在论文主体及其补充信息文件中。

CRediT作者贡献声明

Bangqian Song：概念提出、实验设计、方法学研究、数据整理、验证、撰写。Yong Kang：数据可视化、实验分析。Xi Zheng：数据可视化、实验分析。Zhengguo Li：资源获取、资金申请、项目管理、监督。Yulin Cheng：概念提出、资源获取、资金申请、项目管理、监督、撰写。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

感谢重庆大学分析测试中心的Qin Deng女士提供的技术指导。本研究得到了国家重点研发计划（2022YFD2100105）、国家自然科学基金（32230092、32272381、32572652）、重庆市科技委员会项目（CSTB2025NSCQ-LZX0003）以及中央高校基本科研业务费（2024IAIS-ZX005）的支持。