Increasing Sucrose Uptake Capacity of Wheat Grains Stimulates Storage Protein Synthesis
- 作者
- Nicola Weichert, Isolde Saalbach, Heiko Weichert, Stefan Kohl, Alexander Erban, Joachim Kopka, Bettina Hause, Alok Varshney, Nese Sreenivasulu, Marc Strickert, Jochen Kumlehn, Winfriede Weschke, Hans Weber
- 单位
- Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, D-06466 Gatersleben, Germany; Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, D-14476 Potsdam-Golm, Germany; Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie, D-06120 Halle (Saale), Germany
- 杂志
- Plant Physiology（2009）
- DOI
- 10.1104/pp.109.150854
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
小麦籽粒产量与蛋白质含量呈负相关，传统育种难以同时提高两者。本研究探讨通过增强籽粒蔗糖摄取能力（库强）来突破这一瓶颈，提高籽粒蛋白质含量的可能性。
研究策略
利用胚乳特异性 Hordein B1 启动子驱动大麦 HvSUT1 cDNA 在小麦中表达，获得三个独立纯合系；通过放射性标记蔗糖摄取实验、籽粒组成分析、发育动态的转录组（55k Affymetrix芯片）和代谢组（GC-MS）分析，比较 HOSUT10 与野生型籽粒在生长、蛋白组分、激素水平和基因表达上的差异。
核心内容
该研究通过胚乳特异性Hordein B1启动子在小麦中过表达大麦蔗糖转运蛋白HvSUT1，旨在通过增强籽粒蔗糖摄取能力（库强）打破产量与蛋白质含量负相关的瓶颈。研究者获得三个纯合转基因系，结合放射性标记蔗糖摄取实验、籽粒组成分析及发育动态的转录组和代谢组整合分析，系统比较了转基因与野生型籽粒的差异。结果显示，转基因籽粒体外14C-蔗糖摄取较野生型提高约30%至40%，成熟籽粒总氮含量提升5%至13%，醇溶蛋白和谷蛋白含量分别增加约15.26%和23.93%，而清蛋白和球蛋白不变；千粒重在半受控和田间条件下分别提高10%和6.8%，产量和蛋白产量分别增加129%和136.3%。谷蛋白基因在贮藏期起始（8至14 DAF）强烈上调，后期多种氨基酸水平改变，ABA水平在26至34 DAF显著降低。转录组筛选出1,700个差异表达序列，涉及碳氮代谢与激素信号。该结果表明增强蔗糖摄取能力可特异性促进谷蛋白积累且不牺牲产量，并揭示了蔗糖信号与ABA等激素网络的交互调控，为同时提升小麦产量和品质提供了可行策略。
创新点
首次在小麦胚乳中实现大麦蔗糖转运蛋白 HvSUT1 的异源过表达，证明提高蔗糖摄取能力可特异性促进谷蛋白积累；利用转录组与代谢组整合分析，揭示了蔗糖信号与ABA、细胞分裂素、油菜素内酯等激素信号网络的交互调控；未发现产量降低，为打破产量与蛋白质含量负相关提供了新策略。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 蔗糖转运 | HvSUT1 | 蔗糖转运蛋白 HvSUT1 | 转运 | 在大麦 Hordein B1 启动子控制下于胚乳特异过表达，使籽粒体外 14C-蔗糖摄取提高约30%-40% |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 蔗糖转运 | TaSUT1A/TaSUT1B/TaSUT1D | 内源小麦蔗糖转运蛋白 | 转运 | 表达量在 HOSUT10 与野生型中无显著差异 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 蔗糖-淀粉代谢 | Sucrose synthase | 蔗糖合酶 | 催化 | 与谷蛋白基因共同上调，参与蔗糖降解和淀粉合成 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 淀粉合成 | Granule-bound starch synthase 1 | 颗粒结合淀粉合酶1 | 催化 | 在 HOSUT10 籽粒中上调 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 氮同化 | Glutamine synthetase (plastidial) | 质体型谷氨酰胺合成酶 | 催化 | 后期表达上调，促进谷氨酰胺合成 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 氨基酸合成（天冬氨酸家族） | Aspartate kinase | 天冬氨酸激酶 | 催化 | 后期表达上调，促进赖氨酸、苏氨酸等合成 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 氨基酸分解/碳氮平衡 | Glutamate dehydrogenase | 谷氨酸脱氢酶 | 催化 | 30-34 DAF 显著下调，表明碳充足、氮相对缺乏 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 糖酵解/发酵 | Pyruvate decarboxylase | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 全发育期上调，可能替代丙酮酸脱氢酶促进乙酰-CoA供应 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 线粒体能量代谢 | Uncoupling protein | 解偶联蛋白 | 转运 | 34 DAF 上调，涉及质子转运，可能影响能量代谢 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | ABA信号 | ABI5 | ABI5 转录因子 | 调控 | 与谷蛋白基因共上调，可能参与蔗糖信号调控 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 糖信号/能量代谢 | SnRK1 | SnRK1 蛋白激酶 | 调控 | 呈现振荡表达模式，负向调节糖信号 |
| 小麦（Triticum aestivum）籽粒 | 细胞分裂素信号 | Histidine-containing phosphotransfer protein | 组氨酸磷酸转移蛋白 | 调控 | 在 HOSUT10 籽粒中上调，参与细胞分裂素信号转导 |
关键发现
- 通过胚乳特异启动子 Hordein B1 在小麦中过表达大麦蔗糖转运蛋白 HvSUT1：1) 转基因籽粒体外 14C-蔗糖摄取较野生型高约30%-40%
- 三个纯合系成熟籽粒总氮含量提高5%-13%
- 温室条件下HOSUT10籽粒的醇溶蛋白（gliadins）和谷蛋白（glutenins）含量分别较野生型增加约15.26%和23.93%，而清蛋白/球蛋白含量不变
- 千粒重在半受控和田间条件下分别提高10%和6.8%
- 半受控条件下相对产量和蛋白产量分别提高129%±6.2%和136.3%±5.2%
- 籽粒蔗糖和己糖水平无显著变化，表明蔗糖通量增加而非稳态水平改变
- 谷蛋白基因在贮藏期起始（8-14 DAF）强烈上调
- 后期（22-26 DAF）Lys、Leu、Ile、Phe、Tyr、Trp等氨基酸水平升高，而Glu、Asp等降低
- ABA水平在26-34 DAF显著降低
- 转录组筛选出1,700个差异表达序列，其中109个有注释，涉及碳氮代谢、激素信号等。
研究结论
在大麦 HvSUT1 蔗糖转运蛋白的小麦胚乳特异表达可显著提高籽粒蔗糖摄取能力和蛋白质含量，尤其是谷蛋白，且未牺牲产量。研究还揭示了蔗糖供应改善引起的碳氮代谢失衡和复杂的激素/糖信号调控网络，表明通过增强蔗糖摄取能力提升小麦籽粒品质具有潜力。