培育高产作物的新策略——设计糖运输过程

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。

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。参加本所研究：稻曲病菌的生命之谜

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——ZmSWEET4c，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（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。