Plant Cell| 揭示春化作用使植物的源庫身份發生逆轉的分子機制

2020-08-28 eplants

植物具有非凡的儲存能量的能力，首先是利用光子的能量將碳固定在光合組織器官(源)中。反過來，固定下來的碳被運輸到不同的植物組織(庫)，以推動生長和發育。同時，富含碳儲存的庫器官後來可以成為源，因為它們可以調動其儲存的產物來為新出現的源組織供能。植物器官作為庫或源的身份是一個動態過程，既由內源發育信號指定，也由特定環境刺激的響應，這是一個由內源發育信號和特定環境刺激共同決定的動態過程。庫和源之間的平衡可以通過兩組蛋白質來調節：其一是蔗糖合成和降解酶；其二是位於韌皮部細胞質膜上的蔗糖轉運蛋白。因此，蔗糖代謝酶和轉運蛋白是育種和生物技術戰略的相關目標，目的是通過釋放更多儲存的糖用於生長來提高作物產量。

2020年8月7日，國際學術期刊The Plant Cell 在線報導了德國凱澤斯勞滕大學Benjamin Pommerrenig教授團隊的題為Vernalization Alters Sink and Source Identities and Reverses Phloem Translocation from Taproots to Shoots in Sugar Beet (Beta vulgaris) 的研究論文。該研究揭示了春化使甜菜主根經歷了從庫到源的逆轉。在這一轉變過程中，TST2；1和SUT4(蔗糖轉運子4)被反向調控，伴隨著相應的糖流量從主根到地上部的重定向。該研究將有助於剖析甜菜抽薹的代謝和發育觸發因素，為實現甜菜的抗抽薹和抗寒性提供了新的基因編輯目標。

甜菜(Beta vulgaris，BV)是歐洲和北美溫帶地區生產蔗糖的主要商業作物。甜菜為兩年生植物，在它們的第一年生長期內，快速形成一個巨大的直根，並儲存了大量的蔗糖(高達其鮮重的20%，可以是1公斤或更多)。其中，蔗糖裝載蛋白TONOPLAST SUGAR TRANSPORTER2;1 (BV-TST2；1)對直根中的糖積累起著至關重要的作用。在第二個生長年份，主根由庫器官切換到源器官，從而提供先前儲存的蔗糖，以維持大花序和種子的生長。甜菜在由營養生長轉變為生殖生長時，需要在兩個生長周期之間經歷一段低於15°C的低溫，即春化作用，才能開花(或抽薹)。開花導致直根糖和生物量的顯著損失，從而導致淨產量下降。為了避免這種產量損失，需要鑑定抗抽薹的品種，這是甜菜育種的主要目標。了解甜菜春化過程中的庫源動態變化機制，對培育抗抽薹的品種具有理論和應用意義。因此，在這項工作中，作者為了了解二年生甜菜抽薹所必需的低溫是如何影響糖代謝、光合作用、韌皮部運輸以及新梢和直根的源庫轉變與分配，利用轉錄組和蛋白質組分析，結合不同器官的生長特性、光合參數和代謝產物譜來研究，結果發現：儘管低溫導致光合作用下降，但地上部生物量增加的代價是主根蔗糖含量的下降，具體表現為直根的糖在低溫下大量輸出，蔗糖生物合成或降解相關基因的轉錄水平明顯改變。結果表明，在開花前，甜菜主根經歷了從庫到源的逆轉。這種轉變是由甜菜組織的轉錄和功能重編程誘導的，導致韌皮部的通量方向發生逆轉。在這一轉變過程中，TST2；1和SUT4(蔗糖轉運子4)被反向調控，伴隨著相應的糖流量從主根到地上部的重定向。隨之而來的花調節基因表達的變化表明，這種代謝重新編程是啟動開花的先決條件。該研究將有助於剖析抽薹的代謝和發育觸發因素，為實現甜菜的抗抽薹和抗寒性提供了新的基因編輯目標。


春化過程中 TST2；1和SUT4在三個不同甜菜基因型中的積累

春化過程中庫向源轉變的調控機制
原文連結：chrome-extension://aajldohlagodeegngemjjgmabejbejli/pdf/viewer.html?file=http://www.plantcell.org/content/plantcell/early/2020/08/07/tpc.20.00072.full.pdf

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