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

葉片的碳輸出是通過蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白SUC2的泛素化和磷酸化來控制的

Xu Q , Yin S , Ma Y , et al.?

所有多細胞生物都通過在戰(zhàn)略位置控制營養(yǎng)物質(zhì)的運輸來維持匯和源活動之間的平衡星压。在大多數(shù)植物中佑颇，光合作用產(chǎn)生的蔗糖是主要的碳和能源磕道，其從葉片到碳匯器官的運輸依賴于蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白。在模式植物擬南芥中益老，蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白2(SUC2)通過蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白2(SUC2)將蔗糖運輸?shù)巾g皮部維管組織中，決定了源葉的碳輸出速率饵撑，就像大多數(shù)作物的SUC2同源物一樣惠险。盡管它們很重要撩笆，但人們對調(diào)節(jié)這些蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白的蛋白質(zhì)知之甚少捺球。在這里，對SUC2-相互作用伙伴的鑒定和鑒定表明夕冲，SUC2的活性是通過其蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率和磷酸化狀態(tài)來調(diào)節(jié)的氮兵。泛素結(jié)合酶34(UBC34)被發(fā)現(xiàn)以光依賴的方式觸發(fā)SUC2的翻轉(zhuǎn)。E2酶UBC34在體外可以泛化SUC2歹鱼，這一功能通常與E3泛素連接酶有關(guān)泣栈。Ubc34突變體表現(xiàn)為韌皮部負載量增加，生物量和產(chǎn)量增加。相反南片，另一個SUC2-相互作用伙伴WALLASSOCIATED激酶樣8(WAKL8)的突變體表現(xiàn)出韌皮部負荷和生長減少掺涛。一項基于熒光蔗糖類似物的體內(nèi)實驗證實，WAKL8對SUC2的磷酸化可以增加轉(zhuǎn)運活性疼进。這兩種蛋白都是上調(diào)韌皮部負荷以響應(yīng)增加的光照強度所必需的薪缆。闡明了SUC2調(diào)控的分子機制，為生物技術(shù)提高源強度提供了有希望的靶點伞广。

關(guān)鍵詞：碳分配拣帽，韌皮部裝載，蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白嚼锄，翻譯后調(diào)控减拭，擬南芥

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

在多細胞有機體中刊苍，生長、發(fā)育濒析、馴化和穩(wěn)態(tài)需要監(jiān)測環(huán)境變化正什、協(xié)調(diào)細胞和隔間的反應(yīng)以及調(diào)節(jié)離子和代謝物跨細胞膜的運輸?shù)臋C制。在植物中号杏，這需要控制蔗糖的流量婴氮，蔗糖是碳和能量的主要單位(1)。蔗糖是在葉片和莖的光合活性組織中產(chǎn)生的盾致，并被運輸?shù)巾g皮部維管系統(tǒng)高度特化的細胞中的碳匯器官主经。由于韌皮部內(nèi)的運輸是由滲透驅(qū)動的質(zhì)量流進行的，因此是加載和卸載反應(yīng)決定了運輸速率(2)庭惜。在大多數(shù)作物和模式植物擬南芥中罩驻，韌皮部的裝載是由次生主動蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白(SUCs或SUTS)介導(dǎo)的，在蔗糖分泌到細胞壁空間后护赊，被動糖最終將從韌皮部周圍的細胞輸出轉(zhuǎn)運蛋白(SUTS)(3)惠遏。卸載主要通過胞間連絲擴散發(fā)生(4)。這種安排使得SUC最有可能成為監(jiān)管的目標骏啰。事實上节吮，最近對韌皮部運輸響應(yīng)環(huán)境信號的分析表明，葉片的碳輸出與SUC活性直接相關(guān)(5-7)判耕。

盡管它們在整個植物的碳分配中起著戰(zhàn)略作用透绩，但對負責韌皮部負荷的SUC的調(diào)節(jié)機制知之甚少。研究發(fā)現(xiàn)，基因表達隨著韌皮部負荷的增加而增加渺贤，以響應(yīng)某些非生物脅迫(5-7)雏胃，但不隨光照水平的增加而增加(7)。在番茄中志鞍，高光條件下韌皮部負載量的增加恰好與韌皮部負載量SUC蛋白豐度的增加相一致瞭亮，這表明轉(zhuǎn)錄后調(diào)控(7)。甜菜韌皮部SUC的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也被觀察到固棚，以響應(yīng)外源攝取蔗糖(8统翩，9)。

先前已經(jīng)提出了不同的SUC轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機制此洲。馬鈴薯StSUT1的氧化還原狀態(tài)顯示厂汗，在酵母中表達時影響同源二聚和蛋白質(zhì)定位，盡管似乎不影響運輸活性(10)呜师。在煙草表皮細胞中表達的StSUT1-GFP表現(xiàn)出持續(xù)的內(nèi)吞和循環(huán)娶桦，這可能有助于調(diào)節(jié)質(zhì)膜轉(zhuǎn)運蛋白的數(shù)量(11)。甜菜韌皮部載量SUC BvSUT1(9)的蛋白質(zhì)豐度與測定的轉(zhuǎn)運活性和快速周轉(zhuǎn)速率相關(guān)汁汗。已經(jīng)描述了SUC與其他蛋白質(zhì)的相互作用衷畦，但沒有顯示出對蔗糖轉(zhuǎn)運活性有任何直接影響(12-15)。激酶活性通過轉(zhuǎn)運體本身的磷酸化或調(diào)節(jié)蛋白的磷酸化來影響B(tài)vSUT1的豐度(16)知牌。對于不參與韌皮部加載的SUC祈争，如蘋果MdSUT2.2，已顯示通過磷酸化進行調(diào)節(jié)(15角寸，17-21)菩混。

意義

植物依賴于對碳運輸?shù)膰栏裾{(diào)控，以保持不同部位在各種環(huán)境條件下的活動平衡扁藕。在大多數(shù)作物和模式植物擬南芥中沮峡，位于葉脈中的蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白(SUC)負責光合活性葉片的碳輸出。盡管它們發(fā)揮著核心作用亿柑，但人們對SUC的監(jiān)管知之甚少帖烘。本研究鑒定了擬南芥SUC2的兩個調(diào)節(jié)蛋白，并研究了它們是如何調(diào)節(jié)蔗糖轉(zhuǎn)運活性的橄杨。事實證明秘症，這兩種蛋白對葉片碳輸出的環(huán)境適應(yīng)都很重要。此外式矫，在沒有調(diào)節(jié)劑的情況下觀察到的植物生物量和產(chǎn)量的增加表明乡摹，操縱SUC調(diào)節(jié)可以是提高植物生產(chǎn)力的可行途徑。

本研究的目的是闡明擬南芥(22-24)的富含液泡的SUC SUC2轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的分子機制采转。測試了SUC2是受磷酸化調(diào)控聪廉，還是受影響蛋白質(zhì)豐度的過程調(diào)控瞬痘，即信使RNA(MRNA)翻譯效率和蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)。SUC2調(diào)節(jié)蛋白的候選是從最近的膜蛋白相互作用篩選中獲得的板熊，該篩選使用了基于交配的酵母雙雜交系統(tǒng)(25)框全。這項研究是通過采用最近開發(fā)的基于熒光蔗糖類似物七葉樹蛋白的SUC2轉(zhuǎn)運試驗來促進的，該試驗允許在植物細胞中探索蛋白質(zhì)修飾對體內(nèi)轉(zhuǎn)運活性的影響(26)干签。

結(jié)果

韌皮部負載量的增加與SUC2蛋白周轉(zhuǎn)率的降低和磷酸化的增加相一致津辩。以正常光照(90μmol Photon·m?2·s?1)和強光(4 0 0μmol Photon·m?2·s?1)處理4h的擬南芥植株為對照，研究其對SUC2的調(diào)控容劳。轉(zhuǎn)入強光提高了韌皮部的光合作用喘沿、可溶性葉糖水平和蔗糖含量，而SUC2基因的表達保持不變(圖1A)竭贩⊙劣。抗SUC2抗體用于Western blotts，結(jié)果表明SUC2蛋白豐度隨著韌皮部蔗糖含量的增加而增加(圖1A和SI附錄留量，F(xiàn)IG窄赋。S1)。