近日，美國斯坦福大學、愛荷華州立大學、加州大學的科學家發(fā)現(xiàn)，在玉米和水稻的馴化過程中，SWEET（一類糖運輸?shù)鞍祝┙閷У募禾寝D(zhuǎn)運調(diào)控了種子的灌漿過程。
可溶性糖向發(fā)育中種子的轉(zhuǎn)運能力決定了細胞的大小和數(shù)目，最終影響了種子的大小。種子必須高效地從成熟組織中吸收營養(yǎng)物質(zhì)，以促進自身的發(fā)育。先前，人們普遍認為農(nóng)作物的長期馴化影響了激素對植株的調(diào)控機制，然而很少有證據(jù)顯示馴化過程是如何選擇種子灌漿過程中的糖類轉(zhuǎn)運機制。比如，玉米的種子在人們選育過程中粒型變大，但糖類代謝和轉(zhuǎn)運相關(guān)的功能位點研究得較少。
研究人員通過比較和篩選已發(fā)表的不同玉米基因表達數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)ZmSWEET4c在玉米和玉米早期的起源蜀黍中存在較大的差異，并在種子中高豐度表達。該基因編碼一類糖轉(zhuǎn)運蛋白，負責將韌皮部運輸?shù)奶穷愞D(zhuǎn)運至周邊的庫器官，可能是玉米馴化過程中的一類重要的糖類代謝或轉(zhuǎn)運功能位點，參與調(diào)控種子的灌漿過程。
研究人員首先比較了ZmSWEET4c在玉米和蜀黍中的序列差異性，發(fā)現(xiàn)該基因在在啟動子序列上存在較大的差異，并且在種子的發(fā)育過程中，ZmSWEET4c在玉米中具有更高的表達量。同時該基因的T-DNA插入突變體表現(xiàn)出“空果皮”的表型，即胚乳和胚與野生型相比變得更小，但胚仍能發(fā)育成一個可育的個體，表明ZmSWEET4c特異地影響種子的灌漿過程。
研究人員通過原位雜交、RNA-seq、亞細胞定位等研究手段確認該基因定位在基底胚乳轉(zhuǎn)移層（BETL）的細胞膜上，同時通過底物特異性吸收實驗和酵母糖吸收缺陷菌株互補實驗，表明該基因主要是將葡萄糖和果糖等六碳糖由韌皮部經(jīng)由基底胚乳轉(zhuǎn)移層輸送到胚乳中，進而影響種子的灌漿。
研究發(fā)現(xiàn)，該基因的突變體由于六碳糖輸送至基底胚乳轉(zhuǎn)移層的能力下降，導致BETL發(fā)育不完全，同時OsSWEET4的表達受葡萄糖的誘導，并提出調(diào)控灌漿的正反饋機制模型，即ZmSWEET4c介導的六碳糖輸送至BETL后，誘導了BETL膜面積的增加和ZmSWEET4c轉(zhuǎn)運活性的升高，最終增強了葡萄糖和果糖輸送至胚乳的能力。
最后，研究人員還將此項研究延伸至其他物種如水稻中，發(fā)現(xiàn)水稻里的唯一一個同源基因OsSWEET4 同樣在種子中高度表達，其表達量受葡萄糖誘導，具有轉(zhuǎn)運葡萄糖和果糖等六碳糖的能力，突變體表現(xiàn)出灌漿缺陷的表型，即胚乳變小，結(jié)實率下降。水稻不同品種間的序列比對表明該基因也是水稻馴化過程中的一類重要的糖類代謝或轉(zhuǎn)運功能位點。
由此，研究人員推斷這一植物SWEET轉(zhuǎn)運蛋白調(diào)控種子的灌漿過程可為探索高產(chǎn)的玉米和水稻新品種培育提供新思路。 （邊慧編譯）