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在高等植物中,糖作为主要的储能物质、重要的信号分子、渗透调节物质及其它有机物合成的骨架,在植物的整个生命周期中发挥重要作用。植物糖转运体在糖运输的多个过程中发挥重要作用,包括通过维管组织进行的长距离运输、细胞到细胞间的运输和细胞内的运输,对植物生长发育至关重要。尽管目前拟南芥和水稻中的糖转运体已进行了部分研究,但在木本植物杨树中尚未进行系统研究。木本植物与一年生草本植物相比具有多个特殊的发育过程,如木材的形成需要从光合组织获得碳源。因此,研究杨树中糖转运体的功能有助于揭示树木碳分配的机制,并为通过控制碳源分配调控木材发育提供理论基础。本研究对杨树SWEET基因家族进行了鉴定和系统分析,包括进化关系、表达模式和糖转运特性,并通过转基因对PtSWEET5、PtSWEET7和PtSWEET17a在杨树生长发育中的作用进行了分析。另外,对杨树SUT基因家族的PtSUT4基因在次生生长中的作用进行了进一步研究。研究结果如下:1.本研究共鉴定出27个杨树SWEET基因,是拟南芥SWEET家族基因数量的1.59倍。进化分析发现杨树SWEET基因家族可以分为4个Clade,并且每个Clade中的基因结构和保守基序组成相对保守。片段复制和串联重复共同造成了杨树SWEET基因家族的扩张。2.为研究杨树SWEETs蛋白的亚细胞定位,共选取了9个代表不同Clade的成员,构建其与YFP的N-融合的载体,并瞬时转化烟草叶片。共聚焦显微镜分析显示,PtSWEET4-YFP、PtSWEET7-YFP和PtSWEET15b-YFP定位在细胞质膜,PtSWEET17b-YFP和PtSWEET17d-YFP的YFP信号在液泡膜上被检测到。PtSWEET2c-YFP、PtSWEET3b-YFP和PtSWEET17a-YFP的信号位于内质网,PtSWEET16a-YFP的信号位于高尔基体。这些结果说明,杨树SWEETs可能在细胞间或细胞内糖的运输和分配中均发挥重要作用。为研究PtSWEETs的转运功能,共选取12个代表不同Clade的成员,分别转化己糖吸收缺陷型酵母突变体EBY.VW4000,并进行糖转运体功能的研究。互补生长分析发现,PtSWEET4、PtSWEET5和PtSWEET7在酵母细胞中具有葡萄糖、甘露糖和半乳糖的转运活性,ptsweet15a具有运输半乳糖的能力。这说明ptsweets在杨树中可能具有运输多种糖的能力。3.实时荧光定量pcr分析发现ptsweets具有多样的组织表达模式。ptsweet1a和ptsweet1b主要在根中表达,ptsweet2c、3b和10a主要在成熟叶片中表达,ptsweet5、7、10b和10c主要在韧皮部中表达,ptsweet15b在木质部中特异表达,ptsweet4、5和15a主要在雄花中表达,ptsweet9和ptsweet11只在雄花和雌花中表达。gus组织染色分析发现,ptsweet2c在成熟叶片中的表达量高于其它组织,ptsweet7在韧皮部中特异表达,ptsweet17a在韧皮部、木质部、射线细胞和根中高表达,ptsweet15b在木质部特异表达。这些结果与定量pcr分析结果一致。组织表达模式的多样性,说明ptsweets基因可能参与了杨树的多个生物学过程,在茎中高表达的基因可能参与了木质部发育过程中糖的转运。4.为研究ptsweet5、ptsweet7和ptsweet17a的功能,本研究分别创制了ptsweet5、ptsweet7和ptsweet17a的超表达转基因杨树。超表达ptsweet5促进了转基因杨树木质部和韧皮部的发育,加速了叶片和根的衰老,并抑制了杨树生长。pi/fda双荧光染色发现,ptsweet5超表达株系根细胞的活力降低。与此相反,超表达ptsweet7和ptsweet17a均促进了杨树生长和木质部发育,说明两个基因在杨树次生生长中均发挥重要作用。5.亚细胞定位和qrt-pcr分析表明,ptsut4基因编码液泡膜定位的蔗糖转运蛋白,并在各组织中表达,在成熟叶、茎、韧皮部和花中具有较高表达。ptsut4超表达转基因株系(s1和s12)的株高分别增加了22%和17%,地径分别增加了9%和7%。另外,2个超表达株系第七节间木质部宽度与对照株系相比,分别增加了32%和21%。超表达株系的净光合速率显著高于对照,分别高出24%和21%。2个株系的光合作用增强,说明ptsut4可能通过促进蔗糖在源端的装载和在库端的卸载而对光合作用产生正反馈效应。光合作用的增强和茎中蔗糖卸载效率的增加,促进了杨树的高生长和径向生长(次生木质部发育)。本研究分析了27个ptsweet基因的进化和部分糖转运特征,其多样的表达模式、不同的亚细胞定位和糖转运活性暗示其可能参与木本植物的多个发育过程。进一步通过转基因技术发现了ptsweet5、ptsweet7、ptsweet17a和ptsut4在次生生长中发挥重要作用。这些结果为深入研究杨树糖转运体的功能和调控提供了线索,并为林木速生或材性改良提供重要的理论和技术基础。