叶片的碳输出是通过蔗糖转运蛋白SUC2的泛素化和磷酸化来控制的

Carbon export from leaves is controlled via ubiquitination and phosphorylation of sucrose transporter SUC2[J]. Proceedings of the National Academy of ences, 2020, 117(11):201912754.

DOI：10.1073/pnas.1912754117

叶片的碳输出是通过蔗糖转运蛋白SUC2的泛素化和磷酸化来控制的

Xu Q , Yin S , Ma Y , et al. 

所有多细胞生物都通过在战略位置控制营养物质的运输来维持汇和源活动之间的平衡。在大多数植物中，光合作用产生的蔗糖是主要的碳和能源，其从叶片到碳汇器官的运输依赖于蔗糖转运蛋白。在模式植物拟南芥中，蔗糖转运蛋白2(SUC2)通过蔗糖转运蛋白2(SUC2)将蔗糖运输到韧皮部维管组织中，决定了源叶的碳输出速率，就像大多数作物的SUC2同源物一样。尽管它们很重要，但人们对调节这些蔗糖转运蛋白的蛋白质知之甚少。在这里，对SUC2-相互作用伙伴的鉴定和鉴定表明，SUC2的活性是通过其蛋白质周转率和磷酸化状态来调节的。泛素结合酶34(UBC34)被发现以光依赖的方式触发SUC2的翻转。E2酶UBC34在体外可以泛化SUC2，这一功能通常与E3泛素连接酶有关。Ubc34突变体表现为韧皮部负载量增加，生物量和产量增加。相反，另一个SUC2-相互作用伙伴WALLASSOCIATED激酶样8(WAKL8)的突变体表现出韧皮部负荷和生长减少。一项基于荧光蔗糖类似物的体内实验证实，WAKL8对SUC2的磷酸化可以增加转运活性。这两种蛋白都是上调韧皮部负荷以响应增加的光照强度所必需的。阐明了SUC2调控的分子机制，为生物技术提高源强度提供了有希望的靶点。

关键词：碳分配，韧皮部装载，蔗糖转运蛋白，翻译后调控，拟南芥

key words：carbon allocation，phloem loading，sucrose transporter，posttranslational regulation，Arabidopsis

在多细胞有机体中，生长、发育、驯化和稳态需要监测环境变化、协调细胞和隔间的反应以及调节离子和代谢物跨细胞膜的运输的机制。在植物中，这需要控制蔗糖的流量，蔗糖是碳和能量的主要单位(1)。蔗糖是在叶片和茎的光合活性组织中产生的，并被运输到韧皮部维管系统高度特化的细胞中的碳汇器官。由于韧皮部内的运输是由渗透驱动的质量流进行的，因此是加载和卸载反应决定了运输速率(2)。在大多数作物和模式植物拟南芥中，韧皮部的装载是由次生主动蔗糖转运蛋白(SUCs或SUTS)介导的，在蔗糖分泌到细胞壁空间后，被动糖最终将从韧皮部周围的细胞输出转运蛋白(SUTS)(3)。卸载主要通过胞间连丝扩散发生(4)。这种安排使得SUC最有可能成为监管的目标。事实上，最近对韧皮部运输响应环境信号的分析表明，叶片的碳输出与SUC活性直接相关(5-7)。

尽管它们在整个植物的碳分配中起着战略作用，但对负责韧皮部负荷的SUC的调节机制知之甚少。研究发现，基因表达随着韧皮部负荷的增加而增加，以响应某些非生物胁迫(5-7)，但不随光照水平的增加而增加(7)。在番茄中，高光条件下韧皮部负载量的增加恰好与韧皮部负载量SUC蛋白丰度的增加相一致，这表明转录后调控(7)。甜菜韧皮部SUC的转录和转录后调控也被观察到，以响应外源摄取蔗糖(8，9)。

先前已经提出了不同的SUC转录后调控机制。马铃薯StSUT1的氧化还原状态显示，在酵母中表达时影响同源二聚和蛋白质定位，尽管似乎不影响运输活性(10)。在烟草表皮细胞中表达的StSUT1-GFP表现出持续的内吞和循环，这可能有助于调节质膜转运蛋白的数量(11)。甜菜韧皮部载量SUC BvSUT1(9)的蛋白质丰度与测定的转运活性和快速周转速率相关。已经描述了SUC与其他蛋白质的相互作用，但没有显示出对蔗糖转运活性有任何直接影响(12-15)。激酶活性通过转运体本身的磷酸化或调节蛋白的磷酸化来影响BvSUT1的丰度(16)。对于不参与韧皮部加载的SUC，如苹果MdSUT2.2，已显示通过磷酸化进行调节(15，17-21)。

意义

植物依赖于对碳运输的严格调控，以保持不同部位在各种环境条件下的活动平衡。在大多数作物和模式植物拟南芥中，位于叶脉中的蔗糖转运蛋白(SUC)负责光合活性叶片的碳输出。尽管它们发挥着核心作用，但人们对SUC的监管知之甚少。本研究鉴定了拟南芥SUC2的两个调节蛋白，并研究了它们是如何调节蔗糖转运活性的。事实证明，这两种蛋白对叶片碳输出的环境适应都很重要。此外，在没有调节剂的情况下观察到的植物生物量和产量的增加表明，操纵SUC调节可以是提高植物生产力的可行途径。

本研究的目的是阐明拟南芥(22-24)的富含液泡的SUC SUC2转录后调控的分子机制。测试了SUC2是受磷酸化调控，还是受影响蛋白质丰度的过程调控，即信使RNA(MRNA)翻译效率和蛋白质周转。SUC2调节蛋白的候选是从最近的膜蛋白相互作用筛选中获得的，该筛选使用了基于交配的酵母双杂交系统(25)。这项研究是通过采用最近开发的基于荧光蔗糖类似物七叶树蛋白的SUC2转运试验来促进的，该试验允许在植物细胞中探索蛋白质修饰对体内转运活性的影响(26)。

结果

韧皮部负载量的增加与SUC2蛋白周转率的降低和磷酸化的增加相一致。以正常光照(90μmol Photon·m−2·s−1)和强光(4 0 0μmol Photon·m−2·s−1)处理4h的拟南芥植株为对照，研究其对SUC2的调控。转入强光提高了韧皮部的光合作用、可溶性叶糖水平和蔗糖含量，而SUC2基因的表达保持不变(图1A)。抗SUC2抗体用于Western blotts，结果表明SUC2蛋白丰度随着韧皮部蔗糖含量的增加而增加(图1A和SI附录，FIG。S1)。