菌根诱导表达的蔗糖转运蛋白调控大豆-菌根真菌共生系统中碳分配的机理研究

Symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) is an important strategy for improving nutrient efficiency. However, the formation of symbiosis system also increases the pressure of carbon sink in plant roots. Sucrose transporters play very important roles in regulating carbon allocation and realizing the maximum profits of host plants. However, until now, there are few reports on it. In this project, firstly, the expression patterns of mycorrhiza-induced sucrose transporters GmSUT5 and GmSUT6 are investigated in responses to nutrient deficiency and inoculation of AM fungi with different carbon cost intensity. Subsequently, over-expressing and RNAi transgenic plants will be labeled with 14C、15N、33P to elucidate the effect of AM inoculation on carbon sink in soybean-AM symbiotic system. In addition, sucrose absorption and release kinetics of GmSUT5 and GmSUT6 will be analyzed by yeast heterologous expression system and Xenopus oocyte system. Moreover, promoter-GUS transgenic plants are employed to analyze co-localization of GmSUT5 or GmSUT6 with both GUS and AM structure staining. The results will elucidate the physiological and molecular mechanisms of GmSUT5 and GmSUT6 regulation of carbon partitioning in soybean-AM symbiotic system.

与丛枝菌根真菌（AMF）共生是提高养分效率的重要途径之一，然而共生系统的形成也增加了植物根系的碳库压力。植物蔗糖转运蛋白在调控寄主的碳分配，实现植物最大化获利中起重要作用，但相关研究鲜有报道。本项目首先研究受菌根特异诱导表达的大豆蔗糖转运蛋白基因GmSUT5和GmSUT6对养分缺乏，以及碳消耗强度不同的AMF侵染的表达响应；接着，并利用过量和干涉大豆转基因株系，结合14C、15N、33P同位素标记，研究AMF侵染对植株体内碳库的影响；此外，通过酵母互补和爪蟾卵母细胞实验系统，确定GmSUT5和GmSUT6的蔗糖吸收和外排动力学特性；并利用启动子融合GUS的转基因植株，进行GUS和菌根侵染结构染色的组织共定位分析，最终阐明其调控大豆-AMF共生体内碳分配的生理和分子机制。

与丛枝菌根真菌（AMF）共生是提高养分效率的重要途径之一，然而共生系统的形成也增加了植物根系的碳库压力。植物蔗糖转运蛋白在调控宿主的碳分配，实现植物最大化获利中起重要作用，但相关研究鲜有报道。本项目首先研究受菌根特异诱导表达的大豆蔗糖转运蛋白基因对碳消耗强度不同的AMF侵染的表达响应。结果发现，接种碳消耗少的合作的菌种能诱导GmSWEET6上调表达，大豆与不同AMF共生后菌根生长反应的差异主要是由于接种不同AMF后植物体内糖的代谢和转运相关基因表达的差异所造成的。接着，利用启动子融合GUS的转基因植株，进行GUS和菌根侵染结构染色的组织共定位分析发现，GmSWEET6启动子驱动的GUS蛋白在接菌的大豆根部主要在含有丛枝侵染结构的皮层细胞中，以及维管束中表达，暗示其可能负责糖类在大豆根部的卸载和向丛枝共生界面的转运。烟草表皮细胞的亚细胞定位结果表明，GmSWEET6主要定位在质膜上；利用下胚轴转化获得的大豆转基因毛状根进行接AMF处理，证明了GmSWEET6蛋白可能定位在丛枝的预共生膜上；酵母回补试验证实其具有转运蔗糖的功能；而过量表达GmSWEET6转基因植株的根系分泌物中蔗糖浓度显著升高，表明过表达GmSWEET6后可能导致植株根系蔗糖的外排。进一步，利用过量和干涉大豆转基因株系，研究AMF侵染对植株生长，磷含量及体内碳库的影响。结果发现，与野生型和对照植株相比，不接菌条件下，过量表达GmSWEET6显著降低了大豆植株的生物量、磷含量、地上部和根部葡萄糖浓度、果糖浓度以及根部的蔗糖浓度，但接种AMF后，这些生理指标能恢复到正常水平。这些结果表明，GmSWEET6可能介导了蔗糖从植物根部向菌根预共生空间的转运，这为调控植物与AMF的资源分配，最大化AMF共生系统对植物生长的促进作用提供了理论依据。本项目目前发表了高水平学术论文1篇，提交磷高效转基因大豆新材料2份，培养研究生4名。