糖转运蛋白的基因组学和功能特性研究揭示了其在现代甘蔗品种中参与糖分积累的潜在作用

《Plant Science》：Genomic and Functional Characterization of Sugar Transporters Reveals Potential Roles in Sugar Accumulation in a Modern Sugarcane Cultivar

　　

摘要

甘蔗（Saccharum spp.）是一种全球重要的糖料作物，其生产效率取决于糖分从源器官向汇器官的有效运输。然而，对于甘蔗品种中糖转运蛋白（STs）的系统鉴定和功能分析仍然有限。在本研究中，我们从甘蔗品种Guitang 42（GT42）中鉴定出190个非冗余的ST基因，并将其系统分类为单糖转运蛋白（MST）、蔗糖转运蛋白（SUT）和最终将被输出的糖转运蛋白（SWEET）三个家族。比较进化分析显示，与二倍体和野生亲本相比，PMT、STP亚家族和SWEET家族具有显著的谱系特异性扩展，这可能是由于多倍体化和对糖产量的强烈选择所驱动的。跨组织和节间伸长阶段的转录组分析显示了明显的组织特异性和发育阶段的表达模式。酵母互补实验验证了候选MSTs、SUTs和SWEETs的转运活性，共聚焦显微镜观察证实了它们在质膜、液泡膜或内质网中的不同亚细胞定位。此外，在Nicotiana benthamiana中瞬时过表达几种候选转运蛋白（ScSWEET4-T2、ScSWEET15和ScTST4-T1）可以调节可溶性糖的积累，而在甘蔗原生质体中的表达激活了关键的糖响应标记基因（ScGPT2和ScWIP4）。综上所述，本研究建立了系统的基因组框架，并鉴定出调控糖分配和储存的候选功能转运蛋白，为甘蔗的分子育种和品质提升提供了有价值的遗传靶点。

引言

植物储存器官中的糖分积累是一个关键的生理过程，直接影响作物的产量和品质（Braun, 2022; Chen et al., 2015a）。在高等植物中，光合作用源组织合成的糖分通过韧皮部转运到异养汇组织（Ruan, 2014），这一分配过程主要由糖转运蛋白（ST）控制，包括单糖转运蛋白（MSTs）、蔗糖转运蛋白（SUTs）和最终将被输出的糖转运蛋白（SWEETs）（Kühn et al., 1997; Chen et al., 2010; Doidy et al., 2012）。

甘蔗（Saccharum spp.）提供了全球80%以上的糖产量，是乙醇和生物能源的主要原料（Li et al., 2025a），但通过改善糖分向汇组织的分配仍有很大的提升空间（Moore, 1995）。现代甘蔗品种是通过Saccharum officinarum（高糖含量）和Saccharum spontaneum（高抗性）之间的种间杂交，并通过多次回交S. officinarum培育出来的，这些杂交品种结合了强的糖分积累能力和环境适应性（D’Hont, 2005; Zhang et al., 2018）。进一步提高产量和品质需要鉴定控制糖分积累的关键基因（Zhao et al., 2024），以便进行定向基因工程或标记辅助选择（Menossi et al., 2008）。然而，甘蔗高度多倍化和复杂的基因组长期以来一直阻碍了功能基因的分析。尽管S. spontaneum的基因组已经在2018年发布，但现代杂交甘蔗品种的参考基因组直到最近才变得可用（Bao et al., 2024; Healey et al., 2024; Zhang et al., 2025），其中包括杂交品种POJ2878的完全单倍型解析版本（Wang et al., 2026）。尽管有所进展，现代甘蔗品种中的糖转运蛋白仍然研究不足。

植物中的STs分为三个功能不同的家族。MSTs和SUTs属于主要的促进者超家族（MFS），分别介导单糖和蔗糖的质子偶联转运，能够在浓度梯度下实现吸收（Kühn and Grof, 2010; Ni?o-González et al., 2019）。SWEETs在结构上有所不同，含有两个串联的MtN3/saliva结构域，主要介导 facilitated diffusion（Chen et al., 2010; Xu et al., 2014）。MSTs是最大的ST家族，通常具有十二个跨膜结构域，根据底物特异性和亚细胞定位分为七个亚家族：STPs（质膜己糖吸收）、ERDLs（应激下的糖外排）、TMTs/TSTs和VGTs（在液泡膜定位，参与液泡糖储存和细胞内糖稳态）、PMTs（多元醇和某些单糖）、INTs（肌醇）以及pGlcTs，后者的底物和功能尚不清楚（Doidy et al., 2012; Ni?o-González et al., 2019; Zhu et al., 2025）。SUTs是植物特有的载体，具有十二个跨膜结构域，负责驱动韧皮部的糖装载和长距离蔗糖转运（Ayre, 2011），而SWEETs则在韧皮部卸载和汇组织的糖传递中起作用（Chen et al., 2010; Chen et al., 2015a）。这些家族共同定义了碳向汇组织的输送和储存途径。

除了转运之外，细胞内糖的状态还通过糖信号传导影响基因表达，包括碳水化合物代谢和转运相关基因，如ApL3（ADP-葡萄糖焦磷酸化酶大亚基3）、ApL4（ADP-葡萄糖焦磷酸化酶大亚基4）和GPT2（葡萄糖-6-磷酸/磷酸转移蛋白2）（Chen et al., 2019; Crevillén et al., 2005）。在甘蔗中，对高糖和低糖基因型的比较转录组学分析鉴定出了一些候选基因，包括SNF1相关激酶、NAC型转录因子和WIP4等伤口诱导的多肽（Papini-Terzi et al., 2009），为糖响应过程提供了有用的分子信息。

在这项研究中，我们探讨了现代杂交品种Guitang 42（GT42）中STs的分子进化和功能差异，该品种是中国重要的商业品种，具有高糖产量（Deng et al., 2018; Zhao et al., 2024）。我们对其ST基因进行了编目和比较分析，将其分类为MST、SUT和SWEET家族；通过RNA测序分析了不同组织在技术成熟期的表达情况；并通过在缺糖酵母菌株中的异源表达和在甘蔗原生质体中的亚细胞定位来功能鉴定代表性转运蛋白。为了将转运活性与糖信号传导联系起来，我们在甘蔗中建立了糖响应标记检测方法，并鉴定出ScGPT2和ScWIP4对外源性蔗糖和葡萄糖的快速响应。在Nicotiana benthamiana中的瞬时过表达进一步表明ScSWEET4-T2、ScSWEET15和ScTST4-T1改变了可溶性糖的积累，而ScSWEET4-T2、ScSWEET15和ScTST4-T1还在甘蔗原生质体中激活了ScGPT2和ScWIP4。总的来说，我们的工作为解析甘蔗中的糖转运和分配提供了基因组级别的框架和功能起点，对于甘蔗的产量和品质遗传改进具有潜在价值。

章节摘录

植物材料和样本制备

甘蔗（Saccharum spp.）杂交品种GT42是中国重要的商业品种，在中国科学院微生物研究所的温室中种植和收集（北京100101）。甘蔗外植体经过灭菌后，在含有0.1 mg/L 1-萘乙酸（NAA）、1.5 mg/L 6-苄胺腺嘌呤（6-BA）和3%（w/v）蔗糖的Murashige和Skoog（MS）培养基上生长（除非另有说明）。Nicotiana benthamiana植株也在相同培养基上生长

为了建立甘蔗中糖转运蛋白（ST）多样性和其对糖积累贡献的比较框架，我们使用基于拟南芥和水稻参考序列的BLAST和HMM方法鉴定了近缘和远缘物种中的MST、SUT和SWEET家族成员，并使用eggNOG 5.0进行注释。对于鉴定出的GT42 ST蛋白，我们进一步建立了与最佳匹配的R570的交叉参考

糖转运蛋白（STs）在植物碳分配中起核心作用，控制光合产物的在源组织和汇组织之间的分配，从而影响作物产量和品质（Julius et al., 2017; Liu et al., 2025）。虽然它们在模式生物和几种主要作物中的作用已经得到了广泛研究（Büttner, 2010; Chen et al., 2010; Johnson and Thomas, 2007; Sun et al., 2023; Xiao et al., 2022; Yuan et al., 2014; Zhang et al., 2021），但对其功能的全面了解仍不充分

总之，我们提供了迄今为止对现代甘蔗品种中糖转运蛋白最全面的描述之一。我们证明了ST家族，特别是MSTs和SWEETs的扩展和功能多样化可能是甘蔗显著糖积累能力的原因。我们鉴定出了与糖积累相关的特定转运蛋白并验证了它们的功能，揭示了新的

不适用

所有作者均已同意将本手稿发表在Plant Science上。

本工作得到了中国科学院战略性优先研究计划（项目编号XDA0450000）和CAS青年科学家基础研究项目（YSBR-080）的资助。

Songnian Hu：研究。Xiang Wang：研究。Siyuan Li：研究。Jianguo Wu：资源提供。Xinyue Zheng：研究。Shenghan Gao：研究。Zuli Yang：研究。Yonglun Zeng：资源提供。Yingfeng Luo：写作 - 审稿与编辑、监督、资源提供。Jie Zhang：写作 - 审稿与编辑、监督、资源提供。Baiyang Li：写作 - 初稿撰写、验证、方法学研究、研究。Shan Chunmin：写作 - 审稿与编辑、监督、资源提供。Tingming Mo：

作者声明没有利益冲突。

我们感谢Eckhard Boles和Xu Fang提供了EBY.VW4000酵母突变株，以及Zhaosheng Kong提供了SuSy7/ura3酵母突变株。图4A、5A和6A中的示意图是用BioRender.com制作的。

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系

Baiyang Li|Tingming Mo|Xinyue Zheng|Shenghan Gao|Zuli Yang|Yonglun Zeng|Songnian Hu|Xiang Wang|Siyuan Li|Jianguo Wu|Yingfeng Luo|Jie Zhang|Shan Chunmin

中国科学院微生物研究所农业微生物组学与生物技术系，微生物多样性与创新利用国家重点实验室，北京100101