中国科学院兰州化物所曾凡逵研究员团队成果：植物中的糖转运蛋白：一个精细而广泛的调控网络

导读

2025年1月，中国科学院兰州化学物理研究所曾凡逵研究员团队在期刊《International Journal of Biological Macromolecules》（Q1，IF: 7.7）发表题为“The sugar transporter proteins in plants: An elaborate and widespread regulation network-A review”的综述性论文。中国科学院兰州化学物理研究所刘维刚助理研究员为第一作者，通讯作者为中国科学院兰州化学物理研究所天然药物与化学测量研究中心曾凡逵研究员。

糖转运蛋白的主要作用是源库运输与调控，影响植物生长发育，响应环境胁迫，与其他信号转导通路的交互，介导植物-微生物的互作。基于此，文章提出了通过糖转运蛋白提高作物产量的策略，增强糖转运蛋白与共生微生物的相互作用，提高作物对养分（如磷和氮）的吸收和运输效率，从而促进作物生长，增加作物产量；建立光周期-糖转运蛋白模型，提高光合效率与资源分配，优化光合作用，提高作物产量；借助 GWAS（全基因组关联分析）和QTL（数量性状位点）定位技术及基因编辑（如CRISPR-Cas9）相结合的技术，通过遗传策略改良作物，以达到增加作物产量的目的。该综述文章为深入理解糖转运蛋白的作用机制提供了新思路，为提高作物产量提供了新的策略，对保障粮食安全具有重要参考价值和理论指导意义。

综述亮点

Ø糖转运蛋白的分类

主要促进者超家族（MFS）是最大的膜转运蛋白家族，其中糖转运蛋白可分为 SWEETs、SUTs/SUCs 和 MSTs 三类，MSTs在拟南芥中又可进一步细分，其结构和功能多样，一般由 10-14 个跨膜 α-螺旋组成，通过促进扩散、同向转运或反向转运等机制运输糖类。

Ø糖转运蛋白的功能多样性

（1）源-库糖运输与调节：糖在叶肉细胞合成后经胞间连丝扩散至维管束鞘细胞，再通过韧皮部进行长距离运输至库器官，此过程包括韧皮部装载、运输和卸载三个主要步骤。

（2）韧皮部装载机制：有质外体装载、共质体装载和聚合物陷阱模型三种。质外体装载耗能，糖逆浓度梯度运输；共质体装载被动且顺浓度梯度；聚合物陷阱模型在某些植物中起关键作用，三种机制在部分植物中可共存。

（3）长距离运输：由源库组织间的静水压差驱动，溶质在筛管中积累形成高渗透压使水流入，在库组织中溶质流出、水返回木质部，维持压力差推动蔗糖运输。

（4）韧皮部卸载：糖从释放韧皮部进入库细胞，可通过共质体或质外体途径，涉及多种转运蛋白和酶，不同植物、器官、组织及发育阶段途径不同，蔗糖在库细胞中可被代谢或降解，影响库强度及产量。

Ø糖转运蛋白的调控机制

（1）对植物生长发育的影响：参与果实糖分调节、种子/谷物灌浆、开花等过程，部分糖转运蛋白具有双重底物运输能力，还与衰老相关。

（2）对环境胁迫的响应：在冷、旱、盐等胁迫下，通过调节糖类积累和相关酶活性增强植物耐受性，不同类型糖转运蛋白作用各异且涉及多种信号通路。

（3）与其他信号的相互作用：与钙信号、激素信号等相互作用，调节根发育、芽休眠与生长、开花和块茎形成等过程，受转录和转录后调控，其与其他信号通路的交叉互作机制尚待深入研究。

（4）对植物-微生物相互作用的影响：在植物与菌根真菌共生及与病原菌互作中起关键作用，是养分交换的关键参与者，不同糖转运蛋白在植物防御和感病过程中表现不同。

（5）其他功能：可运输植物激素、离子等，在器官再生和伤口修复中起作用，相关运输功能及分子机制有待进一步探索。

（6）调控与转录后控制：mRNA周转、转录因子和 microRNAs 等参与糖转运蛋白的转录后和转录调控，但具体机制仍需深入研究。

Ø糖转运蛋白提高作物产量的策略和前景

（1）增强与有益微生物的相互作用：鉴定关键微生物并构建互作网络，应用外源微生物可提高养分吸收和利用效率，促进作物生长和增产。

（2）优化光合作用：提高光合效率、同步养分吸收与糖运输、利用 GWAS 和 QTL 定位关键基因等可增加作物产量。

（3）遗传策略：通过调节糖转运蛋白基因表达和基因编辑技术，优化作物 - 微生物养分吸收与交换，增强环境胁迫抗性，提高作物产量。

（4）研究展望：需深入研究植物细胞内糖转运蛋白与代谢和信号通路的整合机制、调控功能的分子机制以及源库组织通过信号通路对糖分布和利用的影响，以促进植物生理学发展和农业可持续性提升。

图文赏析

图1 单糖转运蛋白的分类

图2 马铃薯和水果中通过糖转运蛋白从源细胞到库细胞的示意模型

图3 马铃薯蔗糖转运蛋白（StSUTs）与多种信号通路相互作用

图4 植物-微生物相互作用的假设模型

图5 通过糖转运蛋白提高作物产量的关键策略

图6 提高作物产量的综合策略

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.139252

通讯作者简介：

曾凡逵

曾凡逵，博士，中国科学院兰州化学物理研究所研究员，食品化学与安全检测课题组组长，博士生导师，国家马铃薯产业技术体系“质量安全与营养品质评价”岗位科学家。2010年毕业于华南理工大学，获食品科学博士学位，2011年8月26日起供职于中国科学院兰州化学物理研究所， 2013年入选中国科学院“西部之光”人才培养计划， 2019年4月至2020年4月，梅西大学（新西兰）访问学者。2021年8月晋升为研究员，2022年入选国家马铃薯产业技术体系“质量安全与营养品质评价”岗位科学家。发表学术论文80余篇，授权专利8项，获得甘肃省技术发明一等奖等奖励8项，主持国家自然科学基金等项目20余项。出版专著2部：《咖啡风味化学》和《马铃薯百科全书——马铃薯营养与安全》。主译专著1部：《马铃薯化学与技术》。参编专著2部：《 粮食、果蔬等农产品加工废弃物资源化利用技术及标准研究》《马铃薯全程标准化概论》。参编教材1部：《食品分析》。

第一作者简介：

刘维刚

刘维刚，博士，中国科学院兰州化学物理研究所助理研究员。2012-2016就读于甘肃农业大学生命科学技术学院生物技术专业，获理学学士学位；2020-2023年就读于甘肃农业大学农学院作物遗传育种专业，获农学博士学位，研究方向为作物组学与生物信息学。在读期间分别获盛彤笙一等奖学金，硕士研究生国家奖学金，博士研究生国家奖学金。2023年7月入职中国科学院兰州化学物理研究所。