甘薯蔗糖转运蛋白的功能分析

甘薯(Ipomoea batatas)是重要的粮食和工业加工原料作物。蔗糖是植物体内碳水化合物长距离转运的主要形式,蔗糖转运蛋白(sucrose transporter,SUT)在植物的生长代谢中调控蔗糖的跨膜运输和分配,在韧皮部介导的源-库蔗糖运输和为库组织供应蔗糖的生理活动中起关键作用。本研究根据不同淀粉性状甘薯块根中差异表达的2个SUT基因转录本,进行cDNA末端快速扩增(rapid amplification of cDNA ends,RACE)克隆,获得IbSUT62788和IbSUT81616的全长cDNA序列;通过系统发育分析明确其分类;通过在本氏烟草(Nicotiana benthamiana)中瞬时表达明确其亚细胞定位;通过酵母功能互补系统鉴定IbSUT62788和IbSUT81616是否具有吸收、转运蔗糖和己糖的能力。通过实时荧光定量PCR(real-time fluorescence quantitative polymerase chain reaction,RT-qPCR)分析IbSU62788和IbSUT81616在甘薯各器官中的表达特征;通过蘸花法得到外源表达IbSUT62788和IbSUT81616基因的拟南芥(Arabidopsis thaliana)植株,比较与野生型拟南芥的淀粉和糖含量的差异。结果表明,IbSUT62788和IbSUT81616分别编码505个和521个氨基酸的SUT蛋白,均属于SUT1亚家族。IbSUT62788和IbSUT81616均定位于细胞膜,在酵母系统中具有转运蔗糖、葡萄糖和果糖的能力。此外,IbSUT62788还具有转运甘露糖的能力。IbSUT62788在甘薯叶片、侧枝和茎中的表达量更高,IbSUT81616在侧枝、茎和块根中表达量更高。IbSUT62788和IbSUT81616在拟南芥中异源表达后,植株可以正常生长,但生物量增加。IbSUT62788的异源表达增加了拟南芥植株叶片可溶性糖含量、叶片大小和种子千粒重;IbSUT81616的异源表达增加了拟南芥植株叶片、根尖的淀粉积累量和种子千粒重,但减少了可溶性糖含量。本研究结果表明,IbSUT62788和IbSUT81616可能是调控甘薯蔗糖和糖含量性状的重要基因,在细胞膜上进行着蔗糖的跨膜运输、蔗糖进出库组织、韧皮部蔗糖的运输与卸载等生理功能,在拟南芥中异源表达造成的性状改变说明其在提高其他植物或作物产量中的应用潜力。本研究为揭示甘薯淀粉和糖代谢及重要品质性状形成机制提供了重要信息。