蔗糖转运蛋白StSUT2在马铃薯光合产物分配中的功能解析

Plant sucrose transporter (SUT) is a kind of sucrose carriers which can transport sucrose from source to sink organ. Sucrose transporter in potato belongs to three different phylogenetic clades. However the localization, gene expression mode and physiology function of StSUT2 in potato still remains unclear. We obtained transgenic potato（StSUT2-RANi） by RNA interference technology which has low expression level of StSUT2. It was observed that StSUT2-RANi transgenic potato plant grew more slowly and grew less microtubers, and the starch content decreased in comparison with wild type potato. In the planning proposal, the expression model of StSUT2 and sub-cellular localization will be analyzed, and the function of StSUT2 will be tested in yeast. By analyzing the difference between wild type, StSUT2-RNAi and over expression transgenic potatoes in the aspect of phenotype, metabolome, sugar metabolism enzymes activity, photosynthetic rate and the tuber character of grafted seedlings (transgenic and wild type plants are used as scion and stock each other), the function of StSUT2 and regulation mechanism in photosynthate partitioning in potato will be discussed. This data will help to understand the regulation mechanism of sucrose transport and allocation, which would play a significant role in breeding high yield potato variety.

植物蔗糖转运蛋白（SUT）是一类具有蔗糖转运活性的跨膜转运载体，在蔗糖的质外体运输中发挥重要作用。马铃薯中共发现三种SUT，StSUT1和StSUT4已有详细报道，但StSUT2长期被忽视。本项目前期研究表明，与野生型相比，下调StSUT2表达的转基因马铃薯生长迟缓，叶片淀粉含量降低，试管薯的数量减少，可见StSUT2显著影响马铃薯的产量和淀粉积累。本项目拟研究StSUT2的时空表达模式和亚细胞定位，并通过酵母异源表达验证StSUT2的功能；比较马铃薯野生型、StSUT2-RNAi和超表达植株在形态结构、代谢组和块茎性状上的差异及源库器官淀粉、蔗糖代谢关键酶活性和叶片光合速率的差异，并结合野生型和转基因植株互为接穗、砧木的嫁接苗结薯差异分析，探讨StSUT2在马铃薯光合产物分配中的功能和调节机制。该研究有助于阐明植物蔗糖转运和光合产物分配机制并为马铃薯高产育种提供理论基础和材料。

植物蔗糖转运蛋白（sucrose transporters，SUT）是一类具有蔗糖转运活性的跨膜转运载体，在蔗糖的质外体运输中发挥重要作用。迄今为止，马铃薯中共发现三类SUT基因，StSUT1和StSUT4已有详细报道，但StSUT2的功能尚不明确。本项目研究了马铃薯StSUT2的时空表达模式，比较分析了马铃薯品种“Shepody”野生型和StSUT2-RNAi转基因株系在植株生长、开花、结薯、光合产物分配等方面的差异，以及它们对马铃薯干腐病、青枯病的抗性和丛枝菌根真菌侵染的差异，并从转录组差异分析、相关酶活性分析、细胞壁结构分析等方面来探索StSUT2调控马铃薯生长、发育和抗病性的作用机制。结果表明：马铃薯StSUT2基因的表达受光周期调控，主要在花和老叶中表达，在雌蕊中表达量最高，在成熟叶片、茎、根以及匍匐茎中也有一定的表达；StSUT2启动子含有响应光、干旱和脱落酸等的顺式作用元件；StSUT2影响马铃薯的株高和结薯数量，参与调控开花时间和花粉活力，但可能并不参与调控碳水化合物在源库组织中的分配。此外，StSUT2参与调控马铃薯对干腐病、青枯病的抗性和丛枝菌根真菌的侵染。通过分析StSUT2-RNAi转基因株系的转录组，运用透射电镜分析其细胞壁结构，以及分析细胞壁相关酶的活性和组分物质的含量，推测StSUT2转运的蔗糖主要参与细胞壁的形成，StSUT2可能通过调控与细胞壁组分代谢相关的基因表达而影响马铃薯的生长发育和抗病性。本研究有助于阐明马铃薯蔗糖转运蛋白的生理功能并为马铃薯高产育种提供理论基础。