SWEET转运蛋白在作物中的功能研究及前景展望

李艳娇 李文才 孙琦 赵勐 李文兰 于彦丽 孟昭东

摘要：SWEET是近年来新发现的一类糖转运蛋白，在植物中参与光合产物的运输和分配，从而调控植物响应逆境胁迫、抵抗病原菌侵染以及种子形成和发育等生理过程。本研究综述了作物中SWEET基因家族功能的最新进展，初步归纳了水稻、玉米、大豆和高粱等作物的SWEET蛋白在糖分转运和分配过程中的功能，有助于解析SWEET蛋白家族提高作物产量的机理。

关键词：糖转运蛋白;SWEET;作物;功能

中图分类号：S188  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）06-0154-06

Abstract SWEET is a new sugar transporter founded in recent years. It plays an important role in transport and distribution of photosynthetic productions， so as to regulate the response to stress， resistance to pathogen infection， seed formation and development. In this paper， we introduced the latest research progress of SWEET gene family in crops， and simply summerized the functions during transfer and distribution of SWEET protein in rice， corn， soybean and sorghum

Keywords Sugar transporter; SWEET; Crops; Function

SWEET蛋白是一類广泛存在于真核单细胞生物、高等植物以及动物中的糖转运蛋白[1]，通过参与糖在动植物体中的传递过程，影响多种重要的生理活动。糖类是动植物体内不可或缺的组成部分，是植物生长发育过程中最重要的能量来源。植物体内的糖类化合物主要在光合过程中产生，约占植物体干重的85%～90%[2]。光合作用所产生的80%的糖类，经过相邻的叶肉细胞，输送到维管束鞘细胞，或者通过胞间连丝进入韧皮薄壁细胞和伴胞中，最后从伴胞传递到筛管组织[3]。其中，蔗糖在植物体内主要由定位在质膜上的糖转运蛋白介导，实现在韧皮部的长距离运输[4-6]，再通过筛管组织被运输到组织或器官如根、种子、果实等中[7]。糖转运蛋白的转运效率会影响蔗糖输出量，从而影响植物体内有机物的积累，因此糖转运蛋白是影响作物产量的重要因素之一。

1 SWEET蛋白结构特征

植物中主要有3种糖转运蛋白：蔗糖转运蛋白（sucrose transporters，SUTs）、单糖转运蛋白（monosaccharide transporters，MSTs）以及SWEET蛋白（hexose and sucrose transporters，SWEETs）[8-10]。SWEET蛋白不同于其它已知的糖转运蛋白，它含有7个跨膜螺旋（transmembrane domains，TMs），由2个3-TMs单元串联后，被1个TM螺旋（single TM）连接形成3-1-3的结构（图1）。原核生物中的SWEET蛋白是由1个3-TMs构成，也具有类似糖转运的功能，这些蛋白属于 MtN3或 PQ-Loop家族。研究人员推测真核生物中的SWEET蛋白很有可能是由原核生物的3个TMs复制产生[11-14]。

2 SWEET蛋白的功能鉴定

植物SWEET蛋白位于韧皮部薄壁细胞的细胞膜上，负责糖的双向运输[14，16，17]。研究表明SWEET除具有转运葡萄糖和蔗糖的功能[15，17]，还能够转运果糖[8，18]和半乳糖[19，20]。拟南芥SWEET家族有17个成员，水稻、玉米、大豆和高粱分别有21、24、52、23个成员，通过序列分析将以上5种植物SWEET家族的137个成员制成SWEET家族进化树（图2），并参照文献[13]的方法分为4个发育进化枝。以拟南芥为例：SWEET 1～3在第Ⅰ分枝，SWEET 4～8在第Ⅱ分枝，SWEET 9～15在第Ⅲ分枝，SWEET 16～17在第Ⅳ分枝。研究显示，不同分枝SWEET蛋白对单糖和双糖的相对选择有很大关联性[13]：分枝Ⅰ和Ⅱ的SWEET蛋白主要负责转运己糖;第Ⅲ分枝的SWEET蛋白主要负责蔗糖转运;分枝Ⅳ中的SWEET蛋白在拟南芥的液泡中表达，主要负责果糖运输。通过分裂泛素化酵母双杂交和绿色荧光蛋白（GFP）试验表明，拟南芥中的SWEET蛋白会寡聚化，AtSWEET1功能缺失突变能阻止葡萄糖的转运[13]。

已有研究证实SWEET蛋白与配子体发育有关。敲除AtSWEET14基因的拟南芥突变体产生的种子较小，并且植株有明显的发育延迟现象，说明该基因在种子形成过程中发挥作用[21，22]。另外，AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15也参与调控种子形成和发育过程[23-25]。AtSWEET17主要在液泡中负责多糖转运，在植物的薄壁细胞等位置也有类似的功能表达[13，26]。AtSWEET5、AtSWEET8和AtSWEET13参与花粉发育过程[27-29]，而这3个SWEET家族成员显然并未完全处在同一分枝。由此可见，不能仅靠转运蛋白所在的SWEET家族分枝预测该蛋白所参与的生理过程。

在植物抗病方面，细菌或真菌病原体引起感病植物病原响应基因的表达并分泌相应蛋白与之结合，进而激活相关SWEET基因表达，为病原菌自身的生长和繁殖提供能量[30，31]。在低温、干旱、低氮胁迫下AtSWEET16的转录水平降低，AtSWEET16过表达的拟南芥种子萌发率明显提高，抗冻性也明显增强，说明SWEET家族成员参与胁迫响应过程[8，32]。AtSWEET11、AtSWEET12和AtSWEET15在叶片衰老期高度表达[19]，证明SWEET蛋白在植物生长发育过程中起到至关重要的作用。

3 作物中SWEET家族基因及其功能研究

通过对SWEET基因在拟南芥等模式植物中的表达分析以及功能研究，大致了解该基因家族在植物生长发育和响应各类胁迫中的作用，为作物SWEET基因家族的功能研究提供了思路和方向。

3.1 水稻中SWEET家族基因及其作用

水稻的SWEET家族中有21个成员[33]，其中OsSWEET4跟玉米的3个旁系同源基因（ZmSWEET4a、ZmSWEET4b和ZmSWEET4c）是由同一祖先进化而来。研究显示，该基因在水稻穗基部的高度表达可以诱导葡萄糖转化，并且OsSWEET4负责己糖转运，可使种子胚乳中的淀粉储存量升高[34]。

水稻的其它SWEET基因也有相关功能研究，OsSWEET1a、OsSWEET2a、OsSWEET3a、OsSWEET4、OsSWEET5、OsSWEET15在水稻花和花序中具有较高的表达水平，说明它们参与调控水稻的生殖发育过程[35，36]。拟南芥SWEET1、SWEET8和水稻SWEET11（也被称作Os8N3或Xal3）分别有31%和34%同源性。OsSWEET11负责调控淀粉的合成过程，通过RNAi使该基因沉默，花粉中的淀粉合成过程受到抑制，从而引起水稻雄性不育[15]。OsSWEET11和OsSWEET14在水稻的根、叶、花序中均有表达，OsSWEET11基因突变体表现为结实率下降、种皮皱缩和千粒重下降;OsSWEET14基因突变会使水稻侧根生长发育受到一定影响[37]。Zhou等[19]发现在超表达OsSWEET5的水稻植株中，幼苗阶段即表现出生长延迟以及生长后期过早衰老，而该基因敲除的植株可以正常生长发育。在过表达OsSWEET5的植株叶片中糖分含量明显高于野生型对照，由此推测OsSWEET5参与糖代谢和转运过程。

研究表明OsSWEET家族也是水稻上致病细菌对应的敏感基因[38-42]。白粉病是当前水稻比较严重的真菌性疾病，水稻白叶枯黄单胞菌Xoo（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）是引起该病的重要病原菌。当Xoo侵染水稻时，水稻OsSWEET11基因被诱导而表达上调，激活质膜上的效应蛋白使致病菌从植物体细胞中获得糖分[43]。如果OsSWEET11基因启动子的效应蛋白TAL发生突变，或者通过RNAi使得该基因沉默，宿主中可被病原体利用的糖分受限，病原体就不能正常生长[15，37]。OsSWEET11和OsSWEET14是同源基因，细菌对植株进行侵染时，OsSWEET14被激活与效应蛋白TAL直接结合来支持病原菌的生长繁殖。因此抑制OsSWEET11和OsSWEET14的表达可使水稻对Xoo致病菌表现出抗性[37，41]。

3.2 玉米中SWEET家族基因及其作用

玉米的SWEETs基因家族有24个成员，且与拟南芥中的SWEETs基因家族成员有相似的表达模式，它们在玉米发育的各阶段均起到重要作用。玉米SWEET4基因与籽粒灌浆密切相关[44]，它有3个旁系同源基因：ZmSWEET4a、ZmSWEET4b和ZmSWEET4c[34]。其中ZmSWEET4c在玉米授粉后10～17 d表达量提高了3.4倍。研究发现ZmSWEET4c介导己糖向基部胚乳转移层的运输，其转运活性的增加使葡萄糖和果糖输送至胚乳的能力增强，籽粒的糖积累增加，最终可以提高籽粒产量。该基因的T-DNA插入突变体表现出“空果皮”的表型，几乎没有胚乳，这说明ZmSWEET4c特异地影响了籽粒灌浆过程[34，45]。

玉米ZmSWEET10a蛋白主要定位在质膜上，各种理化性质、结构和功能特征都表明ZmSWEET10a是一种典型的跨膜运输蛋白。玉米中ZmSWEET10a在授粉后18 d的维管束鞘细胞中表达量最高，说明该基因在糖运输至籽粒的过程中起关键作用[45]。玉米SWEET1b的二聚体结构定位于气孔细胞，该基因突变体表现为发育后期早衰和百粒重下降[46]。ZmSWEET1b与拟南芥SWEET1/2/3均为SWEET家族分枝Ⅰ的成员。对拟南芥分别敲除SWEET1、SWEET1/2、SWEET3和 SWEET1/2/3，并将突变体的角果与野生型进行对比，结果发现突变体的角果长度明显变短，但是不同突变体之间的差异并不明显，这表明玉米SWEET1b和拟南芥SWEET1/2/3在植物生长发育过程中可能发挥重要作用[46]。

3.3 大豆中SWEET家族基因及其作用

大豆的SWEET家族共有52个成员，分布在15条染色体上，在不同的组织和发育阶段表达模式各异，大多数GmSWEET基因在生殖器官发育过程中高度表達。GmSWEET6和GmSWEET15在叶片中有很高的表达量，这说明SWEET基因在大豆叶片蔗糖输出过程中同样起到重要作用[47]。

Patil[47]、Schmutz[48]、Wang[49]等通过对大豆的SWEET基因表达模式进行分析发现，在花梗、豆荚以及发育的种子中，SWEET基因的表达模式高度一致;GmSWEET12和GmSWEET21，在3个组织中都有较高程度表达，但在种子中的表达量最高，甚至超过了在其它组织中的表达量之和;GmSWEET5、GmSWEET10、GmSWEET23和GmSWEET48在种子中表达量也超过其它组织，被认为是种子特异表达基因。

此外，大豆SWEET基因与缺铁症有关[50]，对大豆幼苗进行缺铁处理，1 h后叶片中的Glyma05g38350（GmSWEET10）表达量上升约3倍，Glyma05g38340（GmSWEET11）和Glyma05g01310（GmSWEET21）表达量降低，表明这3个基因可能在SnRK1/TOR（SNORKEL）信号中发挥调控作用，从而应对缺铁胁迫。

3.4 高粱中SWEET家族基因及其作用

高粱基因组中发现23个SWEET家族成员。从抽穗期开始至抽穗期后36 d，SbSWEET9-1在叶片中的表达量比在茎和穗中的表达量高。此外在抽穗期的叶片中SbSWEET8-1、SbSWEET8-2和SbSWEET8-3也有不同程度的表达，但SbSWEET8-1在叶片中的表达量最高。SbSWEET8-1与拟南芥中负责叶片质外体蔗糖输出的AtSWEET11和AtSWEET12基因在同一进化枝，和玉米SWEET10a是同源基因[45]，由此可以推断SbSWEET8-1对蔗糖在叶片中的转运起重要作用。SbSWEET4-1、SbSWEET4-2和SbSWEET4-3位于4号染色体上，属于同一进化分支，与水稻SWEET4是同源基因。试验发现SbSWEET4-3主要在茎中表达，SbSWEET4-1和SbSWEET4-2则主要在花序中表达[23，51]。另外，SbSWEET2-1和SbSWEET7-1与水稻SWEET11在同一进化分支，基于对OsSWEET11的研究[36]，推测SbSWEET2-1和SbSWEET7-1在种子发育过程中具有重要作用。而SbSWEET9-3和拟南芥的SWEET8在同一进化分支，AtSWEET8通过调控葡萄糖向花粉细胞运输，进而影响花粉的形成过程[24]。由此推测SbSWEET9-3在花粉中糖分运输和花粉发育过程中发挥关键作用[51]。

4 前景展望

植物SWEET转运蛋白参与多种生理过程，如韧皮部装载、蜜腺分泌、籽粒灌浆、花粉发育、叶片衰老以及响应生物和非生物胁迫。但是目前关于SWEET转运蛋白的研究主要集中于模式植物拟南芥，在作物中只有少数SWEET基因的功能得到验证，还有很多SWEETs家族成员的功能有待挖掘。SWEET蛋白具体的转运机制，是否参与糖信号转导过程，以及如何提高该蛋白的转运效率等问题仍有待我们去深入研究。SWEET蛋白在作物籽粒灌浆过程中发挥重要作用，在分子育种方面也具有重要应用价值。

参 考 文 献：

[1] Frommer W B， Sosso D， Chen L Q. SWEET glucoside transporter superfamily[M]//Roberts G C.Encyclopedia of Biophysics. Springer，Berlin，Heidelberg，2013： 2556-2558.

[2] 郭振楚.糖类化学[M] 北京：化学工业出版社，2005.

[3] 袁进成，刘颖慧.植物糖转运蛋白研究进展[J].中国农学通报，2013，29（36）：287-294.

[4] 戚继艳，阳江华，唐朝荣.植物蔗糖转运蛋白的基因与功能[J].植物学通报，2007，27（4）：532-543.

[5] 涂文睿，蔡昱萌，颜婧，等.植物蔗糖转运蛋白及其生理功能的研究进展[J].生物技术通报，2017，33（4）：1-7.

[6] 吴楚，朱能斌.植物中糖转运途径、糖转运蛋白及其生理功能[J].湖北农学院学报，2004，24（4）：294-301.

[7] Zheng Y， Wang Z. Current opinions on endosperm transfer cells in maize[J]. Plant Cell， 2010， 29：935-942.

[8] Klemens P A， Patzke K， Deitmer J， et al. Overexpression of the vacuolar sugar carrier AtSWEET16 modifies germination， growth， and stress tolerance in Arabidopsis[J]. Plant Physiol.，2013，163（3）： 1338-1352.

[9] Williams L E， Lemoine R， Sauer N. Sugar transporters in hi-gher plants—a diversity of roles and complex regulation[J]. Trends Plant Sci.， 2000， 5： 283-290.

[10] Xu Y， Tao Y， Cheung L S， et al. Structures of bacterial homologues of SWEET transporters in two distinct conformations[J].Nature， 2014，515：448-452.

[11] 陈慧敏，李威，马雄风，等.植物SWEET基因家族的相关研究进展[J].中国农学通报，2017，33（19）：34-39.

[12] 胡丽萍，张峰，徐惠，等. 植物SWEET基因家族结构、功能及调控研究进展[J]. 生物技术通报，2017，33（4）：27-37.

[13] Eom J S， Chen L Q， Sosso D， et al. SWEETs， transporters for intracellular and intercellular sugar translocation[J]. Current Opinion in Plant Biology，2015，25：53-62.

[14] 玄元虎，朱毅勇，胡一兵.SWEET蛋白家族研究進展[J].中国科学：生命科学，2014，44（7）：676-684.

[15] Chen L Q， Hou B H， Lalonde S， et al. Sugar transporters for intercellular exchange and nutrition of pathogens[J].Nature，2010， 468： 527-532.

[16] 劉畅，姜晶，韩晓雪，等.植物中SWEET基因家族研究进展[J]. 植物生理学报，2014，50（9）：1367-1373.

[17] Chen L Q， Qu X Q， Hou B H， et al. Sucrose efflux mediated by SWEET proteins as a key step for phloem transport[J]. Science，2012，335（6065）： 207-211.

[18] Guo W J， Nagy R， Chen H Y， et al. SWEET17， a facilitative transporter， mediates fructose transport across the tonoplast of Arabidopsis roots and leaves[J]. Plant Physiol.，2014，164（2）： 777-789.

[19] Zhou Y， Liu L， Huang W， et al. Overexpression of OsSWEET5 in rice causes growth retardation and precocious senescence[J]. PLoS One， 2014， 9（4）：e94210.

[20] 孙文杰，左开井. SWEET转运蛋白家族的发现、结构及功能研究进展[J].分子植物育种，2016，14（4）：878-885.

[21] Antony G， Zhou J， Huang S， et al. Rice xa13 recessive resistance to bacterial blight is defeated by induction of the disease susceptibility gene Os-11N3[J]. Plant Cell， 2010，22（11）： 3864-3876.

[22] Borisjuk L， Rolletschek H， Radchuk R， et al. Seed development and differentiation： a role for metabolic regulation[J]. Plant Biol.，2004，6（4）：375-386.

[23] Braun D M. SWEET！ The pathway is complete[J].Science， 2012， 335（6065）： 173-174.

[24] Chen L Q， Lin I W， Qu X Q， et al. A cascade of sequentially expressed sucrose transporters in the seed coat and endosperm provides nutrition for the Arabidopsis embryo[J]. Plant Cell， 2015， 27：607-619 .

[25] Sherson S M， Hemmann G， Wallace G， et al. Monosaccharide/proton symporter AtSTP1 plays a major role in uptake and response of Arabidopsis seeds and seedlings to sugars[J]. Plant J.， 2000， 24（6）： 849-857.

[26] Chardon F， Bedu M， Calenge F， et al. Leaf fructose content is controlled by the vacuolar transporter SWEET17 in Arabidopsis[J]. Curr. Biol.， 2013，23（8）： 697-702.

[27] Guan Y F， Huang X Y， Zhu J， et al. RUPTURED POLLEN GRAIN1， a member of the MtN3/saliva gene family， is crucial for exine pattern formation and cell integrity of microspores in Arabidopsis[J]. Plant Physiol.， 2008， 147：852-863.

[28] Lin I W， Sosso D， Chen L Q， et al. Nectar secretion requires sucrose phosphate synthases and the sugar transporter SWEET9[J]. Nature， 2014，508（7497）：546-549.

[29] Sun M X， Huang X Y， Yang J， et al. Arabidopsis RPG1 is important for primexine deposition and functions redundantly with RPG2 for plant fertility at the late reproductive stage[J]. Plant Reprod.， 2013， 26（2）：83-91.

[30] Chandran D. Cooption of developmentally regulated plant SWEET transporters for pathogen nutrition and abiotic stress tolerance[J]. IUBMB Life， 2015， 67（7）： 461-471.

[31] Sutton P N， Henry M J， Hall J L. Glucose， and not sucrose， is transported from wheat to wheat powdery mildew[J]. Planta， 1999， 208（3）： 426-430.

[32] Tang N， Zhang H， Li X， et al， Constitutive activation of transcription factor OsbZIP46 improves drought tolerance in rice[J]. Plant Physiol.， 2012， 158： 1755-1768.

[33] Yuan M， Wang S. Rice MtN3/Saliva/SWEET family genes and their homologs in cellular organisms[J]. Molecular Plant，2013，6（3）：665-674.

[34] Sosso D， Luo D， Li Q B， et al. Seed filling in domesticated maize and rice depends on SWEET- mediated hexose transport[J]. Nat. Genet.，2015，47：1489-1493.

[35] Li C， Wang Y， Liu L， et al. A rice plastidial nucleotide sugar epimerase is involved in galactolipid biosynthesis and improves photosynthetic efficiency[J]. PLoS Genet.， 2011，7（7）：e1002196.

[36] Eom J S， Cho J I， Reinders A， et al. Impaired function of the tonoplast-localized sucrose transporter in rice， OsSUT2， limits the transport of vacuolar reserve sucrose and affects plant growth[J]. Plant Physiol.， 2011，157：109-119.

[37] 馬来. 水稻蔗糖转运蛋白OsSWEET11和OsSWEET14功能的研究[D].南京：南京农业大学，2016.

[38] Chu Z， Yuan M， Yao J， et al. Promoter mutations of an essential gene for pollen development result in disease resistance in rice[J]. Genes & Development， 2006， 20（10）： 1250-1255.

[39] Frank B R， Leach K A， Braun D M. SWEET as sugar： new sucrose effluxers in plants[J]. Mol. Plant，2012， 5（4）：766-768.

[40] Lu L， Zhou F， Zhou Y， et al. Expression profile analysis of the polygalacturonase-inhibiting protein genes in rice and their responses to phytohormones and fungal infection[J]. Plant Cell Reports， 2012， 31（7）： 1173-1187.

[41] Streubel J， Pesce C， Hutin M， et al. Five phylogenetically close rice SWEET genes confer TAL effector-mediated susceptibility to Xanthomonas oryzae pv. oryzae[J]. New Phytol.，2013， 200（3）： 808-819.

[42] Verdier V， Triplett L R， Hummel A W， et al. Transcription activator-like （TAL） effectors targeting OsSWEET genes enhance virulence on diverse rice （Oryza sativa） varieties when expressed individually in a TAL effector-deficient strain of Xanthomonas oryzae[J]. New Phytol.，2012， 196（4）：1197-1207.

[43] Liu Q， Yuan M， Zhou Y， et al. A paralog of the MtN3/saliva family recessively confers race-specific resistance to Xanthomonas oryzae in rice[J]. Plant Cell Environ.， 2011，34（11）： 1958-1969.

[44] Chourey P S， Li Q B， Cevallos-Cevallos J. Pleiotropy and its dissection through a metabolic gene Miniature1 （Mn1） that encodes a cell wall invertase in developing seeds of maize[J]. Plant Sci.，2012，184：45-53.

[45] 楊于天程，范会，王姣姣，等.玉米糖运载蛋白基因ZmSWEET10a的生物信息和表达分析[J].分子植物育种，2018，16（20）：6537-6544.

[46] 辛红佳. 植物SWEET基因家族CladeⅠ基因功能研究[D]. 北京：中国农业科学院，2018.

[47] Patil G， Valliyodan B， Deshmukh R， et al. Soybean （Glycine max） SWEET gene family： insights through comparative genomics， transcriptome profiling and whole genome re-sequence analysis[J]. BMC Genomics， 2015，16（1）： 520.

[48] Schmutz J， Cannon S B， Schlueter J， et al. Genome sequence of the palaeopolyploid soybean[J]. Nature， 2010，463（7278）：178-183.

[49] Wang J L， Liu C Y， Wang J， et al. An integrated QTL Map of fungal disease resistance in soybean （Glycine max L. Merr）： a method of meta-analysis for mining R genes[J]. Agric. Sci. China， 2010，9（2）：223-232.

[50] Lauter A N M， Peiffer G A， Yin T， et al. Identification of candidate genes involved in early iron deficiency chlorosis signaling in soybean （Glycine max） roots and leaves[J]. BMC Genomics， 2014， 15（1）：702.

[51] Mizuno H， Kasuga S， Kawahigashi H. The sorghum SWEET gene family： stem sucrose accumulation as revealed through transcriptome profiling[J]. Biotechnology for Biofuels，2016，9（1）：127.