探秘铁皮石斛与真菌共生的 “甜蜜密码”：DoSWEET14 糖转运蛋白的关键作用

《BMC Plant Biology》：The SWEET14 sugar transporter mediates mycorrhizal symbiosis and carbon allocation in Dendrobium officinale

为探究兰花菌根（OM）共生中糖转运的机制，福建农林大学等机构的研究人员以铁皮石斛为对象，研究 DoSWEET14 糖转运蛋白。结果发现其在菌根共生时显著上调，参与碳分配，稳定共生关系。该研究为理解兰科植物共生机制提供理论依据1213。

　　在植物的奇妙世界里，兰花与真菌之间存在着一种独特的共生关系，即兰花菌根（Orchid Mycorrhiza，OM）共生。这种共生对于兰花获取矿物质营养至关重要，作为交换，兰花会将自身合成的有机碳，如碳水化合物等提供给真菌。然而，相较于外生菌根和丛枝菌根，兰花菌根的营养交换机制却鲜为人知。

SWEET 蛋白家族作为双向糖转运体，在植物与微生物的相互作用中扮演着重要角色。已有研究表明，某些 SWEET 基因在菌根共生过程中表达上调，暗示其可能参与向菌根真菌提供糖分的过程。在此背景下，福建农林大学等机构的研究人员开展了关于铁皮石斛（Dendrobium officinale）与 OM 真菌共生的研究，旨在揭示 SWEET 糖转运蛋白在这一过程中的作用，相关研究成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过转录组测序（RNA-seq）分析，研究不同菌根接种对铁皮石斛根部转录响应的影响；利用定量实时荧光定量聚合酶链式反应（qRT-PCR）验证差异表达基因（DEGs）；运用农杆菌介导的转化技术进行基因功能研究；借助亚细胞定位技术确定 DoSWEET14 蛋白的定位；通过酵母互补实验探究 DoSWEET14 蛋白的糖转运活性和底物特异性；还对拟南芥（Arabidopsis）进行遗传转化，分析过表达 DoSWEET14 的影响。

研究结果如下：

• 基因表达谱分析：通过转录组测序分析，比较未接种（NM）和接种 OM 真菌的铁皮石斛根部转录本的表达谱。结果显示，Mycena dendrobii（Md）和 Cladosporium halotolerans（Ch）处理共鉴定出 26,662 个差异表达基因，其中 10,552 个基因上调，16,110 个基因下调。且仅有 643 个基因在两种处理中均差异表达，表明多数基因对不同接种的转录响应不同3。
• DEGs 验证：qRT-PCR 结果与 RNA-seq 数据对比，发现 DoSWEET14、DoMST4 和 DoMST6 基因在茎中的表达水平显著高于根和叶，DoSWEET4 在根中表达最高。接种菌根真菌后，这些基因在根和茎中的转录水平显著增加，验证了测序结果的可靠性4。
• GO 和 KEGG 富集分析：对差异表达基因进行 GO 功能分类和 KEGG 通路富集分析。GO 分析表明，铁皮石斛菌根中的差异表达基因主要与分子功能相关，特别是与细胞皮层、运输活性、微管结合和微管蛋白结合等过程有关。KEGG 分析发现，至少有五个高度富集的 KEGG 通路与糖代谢密切相关，包括戊糖磷酸途径、光合生物碳固定、果糖和甘露糖代谢、糖酵解 / 糖异生以及聚糖合成和代谢56。
• DoSWEET14 亚细胞定位：构建 DoSWEET14 与绿色荧光蛋白（GFP）的融合蛋白，与质膜标记蛋白 AtPIP2A:mCherry 共表达。共聚焦成像结果显示，DoSWEET14-GFP 融合蛋白定位于质膜，表明其可能在调节铁皮石斛菌根共生中发挥关键作用78。
• DoSWEET14 的底物特异性：将 DoSWEET14 基因插入 pDR196 质粒，转化到缺乏 20 种内源性单糖转运蛋白基因的酵母菌株 EBY.VW4000 中。实验结果表明，DoSWEET14 能够增强酵母在某些糖类（如果糖、半乳糖、甘露糖、鼠李糖和蔗糖）上的生长能力，具有较宽的底物特异性9。
• 接种处理对糖含量的影响：研究发现，无论植株接种状况如何，根部的果糖和葡萄糖含量均高于地上部分。与未接种或接种其他菌株的植株相比，接种 Ri 和 Ga-H 菌株的植株在地上部分和根部的葡萄糖、果糖和蔗糖含量显著增加，说明微生物定植影响植物组织内的碳分布10。
• DoSWEET14 过表达分析：在拟南芥中过表达 DoSWEET14，结果显示过表达植株的 DoSWEET14 表达水平显著高于对照，且过表达植株的葡萄糖、果糖和蔗糖含量显著高于野生型植株，但生物量无显著差异，表明 DoSWEET14 可能通过影响植物的糖代谢来调节碳分配1112。

研究结论和讨论部分指出，本研究首次证明兰花菌根共生会引起铁皮石斛根部转录组的显著重编程，尤其是参与糖和脂质代谢及运输的基因。DoSWEET14 在被 OM 真菌定植的根皮层细胞中强烈上调，定位于丛枝周围的质膜，在促进碳转移到 OM 真菌中发挥重要作用，稳定了铁皮石斛与 OM 真菌的共生关系。此外，DoSWEET14 具有较宽的单糖运输谱，展现了其在糖运输中的潜在多功能性。该研究为深入理解 SWEET 转运蛋白在菌根共生中调节碳分配的功能提供了新见解，为优化农业实践、增强作物对病原体的抗性以及提高养分分配效率提供了理论基础，未来可进一步探索通过基因改造增强有益共生关系，改善园艺和农业系统中植物的生长和抗逆性。