SWEET糖转运体在茶树响应冷胁迫过程中的功能分析

Low temperature severely affects the growth of the tea plant (Camellia sinensis). After suffering from the low temperature, the yield and the quality of tea decreased, as a consequence, it brought significant economic losses. Under cold condition, soluble sugars accumulate in plant cells to protect plants against cold stress. SWEET transporters were recently described and play important roles in various physiological processes including cold stress response by regulating the translocation and distribution of soluble sugars in plant cells. In the preliminary study, our group has cloned two cold-responsive CsSWEETs in tea plant. These two CsSWEETs were homologous with Arabidopsis vacuolar SWEET transporters and showed the opposite expression pattern in response to cold stress, one was induced and the other one was repressed by low temperature. On this basis, we will clone the promoter sequences of the two CsSWEETs, analyze their spatial expression pattern, identify their biochemical traits by defective yeast complementation experiment and yeast absorption experiment, and do functional analysis by Arabidopsis transformation. It is helpful to clarify the roles of CsSWEETs in the molecular mechanism of carbohydrate distribution in response to cold stress of tea plant and to provide theoretical basis for developing tea varieties with improved cold resistance.

冷（冻）害严重影响着茶树的正常生长，它降低茶叶的产量和品质，对茶叶生产造成重大的经济损失。低温条件下可溶性糖含量的增加是植物抵御冷胁迫的一种保护机制，SWEET是新发现的一类糖转运体，它通过调控可溶性糖在植物体内的转运和分配，参与植物多种生理过程，包括低温的适应性过程。前期研究中，本课题组克隆了2个响应低温胁迫的茶树CsSWEET基因，它们与拟南芥液泡膜SWEET转运体同源，对低温的响应表达呈现相反的模式，分别受低温的诱导和抑制。本项目拟在此基础上，克隆这2个CsSWEET基因的启动子序列，分析它们的时空表达模式，用缺陷型酵母互补实验和酵母糖吸收实验确定基因的转运功能，通过发展拟南芥转基因株系鉴定2个CsSWEET基因在茶树响应冷胁迫过程中发挥的作用以及存在的功能差异。从而初步阐明CsSWEET基因在茶树遭遇低温胁迫时的糖代谢分配中的分子机理，为抗寒茶树品种的培育提供理论基础。

茶树的低温适应性影响其地理分布、生长发育和生产经济效益，低温条件下可溶性糖含量的增加是植物抵御冷胁迫的一种保护机制，SWEET家族糖转运体通过调控己糖在植物体内的转运和分配，参与植物多种生理过程。本研究在茶树中鉴定了分属4个进化分支的13个SWEET转运体，并进行了启动子元件分析、蛋白序列比对、跨膜结构分析等。通过qRT-PCR，明确了它们在茶树各组织中的表达模式，对非生物胁迫（ABA、4℃、盐、PEG处理和自然冷驯化）和生物胁迫（炭疽菌侵染）的响应模式。通过转化酵母己糖转运体缺失突变体EBY.VW4000，证明了CsSWEET1a/1b/7/17在酵母中对一种或多种己糖/葡萄糖类似物具有转运功能。. 通过异源转化拟南芥及回复拟南芥同源突变体，进一步对第IV亚家族的CsSWEET16和CsSWEET17进行了功能鉴定。研究发现CsSWEET16受低温抑制，其定位于液泡膜上，过表达CsSWEET16的拟南芥株系（CsSWEET16-OE）的低温抗性增加。与野生型相比，低温处理后，CsSWEET16-OE的相对电导率降低，Fv/Fm升高，可溶性糖和葡萄糖含量升高，而果糖含量显著降低。通过回复atsweet16-1同源突变体，明确了CsSWEET16的过表达能够降低atsweet16-1突变体中的果糖积累。. 研究发现 CsSWEET17受低温诱导，其定位于细胞膜上，CsSWEET17蛋白C端67个氨基酸对糖转运能力有促进作用。与野生型相比，过表达CsSWEET17的拟南芥株系（CsSWEET17-OE）的叶片增大，地上部分鲜重显著增加，种子增大，说明CsSWEET17参与调控生长发育过程，可能与营养生长和结实过程中的糖转运利用有关。低温冷冻处理后，CsSWEET17-OE的相对电导率降低，植株的抗寒性增加。. 综上，本项目明确了13个CsSWEET基因的序列、表达模式和糖转运能力，阐明 CsSWEET16可能负责将果糖从液泡中转出，调节液泡内外的可溶性糖分配，从而增强植物的抗寒能力。CsSWEET17能够正调节植物的叶片大小和种子大小，也能够提高植物的抗寒性。研究结果为茶树抗寒育种提供基因资源，也为深入阐明茶树抗寒分子机理提供了理论基础。