Nature子刊：培育高产作物的新策略

最近，美国卡内基科学学院的Wolf Frommer带领的一个科学小组发现，玉米和水稻中的一种糖转运蛋白（称为SWEET4），对于成功的籽粒灌浆是必需的，并显示出指示人类驯化的基因组变化。这一新的研究结果，发表在十一月二日的《Nature Genetics》上。

　　

生物通报道：一旦植物母体将它的胚胎释放到外界时，它们必须靠自己活下来，而没有家庭的保护。为了确保这些脆弱的生物能够成功定植，母体植株提供了一个充满能量的背包，称为胚乳。因为，随着时间的推移，只有那些成功繁殖和竞争的植物才能生存下来，母体植株的一生都致力于在其叶片中产生糖，最终这被存储在这些胚乳中。当植物将太阳的能量转化为化学能，然后再将其运到种子时，糖就被制造出来了。籽粒糖灌浆（seed filling）量，直接决定种子的大小。

现在，美国卡内基科学学院的Wolf Frommer带领的一个科学小组发现，玉米和水稻中的一种糖转运蛋白（称为SWEET4），对于成功的籽粒灌浆是必需的，并显示出指示人类驯化的基因组变化。这一新的研究结果，发表在十一月二日的《Nature Genetics》上。延伸阅读：Plant Pathology：让作物摆脱病害的遗传学发现。

植物胚乳一直是植物与人类互惠关系中的一个重要因子，可促进它们的生存和传播，作物植株进化出了更大的胚乳，以确对人类保持持久的效用。如果不了解哪个基因变异引起了有用的特性，人们只能选择最好的植物继续培养，在这种情况下，选择的植物往往有大的胚乳。这是人类驱动的进化选择，发生在我们所有的作物以及野生植物中，它们被转换成越来越有用和有营养的版本。

现在，利用现代分子遗传学方法，科学家可以看到，在这个过程中实际上有哪些基因突变被选择，SWEET4就是其中一个。现在美国和世界各地大面积种植的玉米，它们的祖先有更小的胚乳。据认为，对于许多类型的谷物来说，种子的大小，可通过农业驯化的选择压力而增大。更大、更充满了糖的种子，如玉米粒，对于人类栽培者更具吸引力，因为它们有营养价值及产生强壮幼苗的能力。但籽粒灌浆过程和驯化的生物化学之间的直接联系，一直是难以捉摸的。

Frommer及其研究团队，曾广泛研究SWEET糖转运蛋白家族，它在植物中起几个关键的角色，包括产生花蜜和将糖从叶片运输到其他组织。他们还发现，SWEETs使植物容易受到病菌的劫持，这些病菌可在植物能量被运送到种子之前，窃取植物的能量供应。

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这项新发现是由几个实验室共同完成的。Frommer的团队分析了参与糖相关流程的玉米基因，以找到在种子发育过程中那些被“打开”的基因。他们找到了16个候选基因，其中一个非常出色。该基因——SWEET4c，在玉米中编码一个糖转运蛋白，在佛罗里达大学Prem Chourey研究小组的玉米种子中特异表达，并具有驯化选择的证据。

SWEET4c基因在驯化过程中被选择，这个证据是由加州大学戴维斯分校的Ross-Ibarra研究小组发现的，同时他们将来自现代玉米的SWEET4序列与其野生祖先大刍草（Teosinte）相比较。如果一个特定基因序列的变异，在现代版本中大大降低，则被认为是一个迹象表明，它是由驯化的选择性压力形成的。

研究小组发现，SWEET4c变得高度活跃，意味着它正在生产SWEET4c蛋白——正是在糖到种子的运输最大的时候，在种子授粉后10天和17天之间。

本文第一作者、卡内基科学学院的Davide Sosso解释说：“我们相信，早期的农民选择较大的种子，当作粮食吃和种植，他们不自觉地选择增加这些种子的糖输入。这是因为含有更多糖的种子更大，更有营养。”

这项研究的一个重大突破是，SWEET4c对于籽粒灌浆是完全必需的。如果没有一个起作用的sweet4c编码基因版本，如由UniformMu资源提供的突变系，糖就没有被运输给种子，胚乳就是空的（科学术语：空果皮）。

令人欣慰的是，这项研究的重要性超越了玉米产量。作者发现，水稻中相应的基因对于籽粒灌浆也很关键，并显示出农民和育种人员选择的独立迹象。

来自爱荷华州立大学的华人学者杨兵（Bing Yang）带领的课题组，进行了所有的水稻研究，他指出：“我们的工作表明，SWEET4可能是玉米、水稻和其他农作物品种选育的一个很有前途的靶标。”

当科学家开发出一种新的药物时，他们需要与制药工业合作，进行广泛的测试，最终将其带给消费者。同样，植物科学家也需要与工业界合作，探索一项研究成果的全部潜力。因此，该研究小组与Syngenta AG发起了一项合作研究，寻找某种方法，通过工程设计糖运输过程，来提高作物产量，但它们的重要性在目前还知之甚少。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Seed filling in domesticated maize and rice depends on SWEET-mediated hexose transport
Abstract：Carbohydrate import into seeds directly determines seed size and must have been increased through domestication. However, evidence of the domestication of sugar translocation and the identities of seed-filling transporters have been elusive. Maize ZmSWEET4c, as opposed to its sucrose-transporting homologs, mediates transepithelial hexose transport across the basal endosperm transfer layer (BETL), the entry point of nutrients into the seed, and shows signatures indicative of selection during domestication. Mutants of both maize ZmSWEET4c and its rice ortholog OsSWEET4 are defective in seed filling, indicating that a lack of hexose transport at the BETL impairs further transfer of sugars imported from the maternal phloem. In both maize and rice, SWEET4 was likely recruited during domestication to enhance sugar import into the endosperm.