摘要
水稻叶片等绿色组织的光合产物是籽粒灌浆的主要物质来源。光合同化物以蔗糖形式经叶片装载、长距离运输、籽粒卸载过程进行源库转运，蔗糖转运需蔗糖转运蛋白的参与。目前水稻蔗糖转运蛋白的研究主要集中在叶片的装载方面，其在籽粒灌浆过程中的功能尚不明确。本试验通过OsSUTs::GUS材料明确蔗糖转运蛋白的表达模式，结合基因编辑技术CRISPR/Cas9构建ossuts功能缺失突变体材料,从蔗糖在源端叶片的装载、韧皮部转运、库端籽粒的卸载等方面进行分析，明确水稻蔗糖转运蛋白在籽粒灌浆中的功能。研究可为育种和栽培上促进水稻蔗糖源库转运提供理论基础。主要的研究结果如下： 1、蔗糖转运蛋白突变导致水稻产量下降 通过分析蔗糖转运蛋白的表达模式和ossuts缺失突变体的产量构成因素，发现OsSUT1、3、4、5参与水稻籽粒灌浆的过程。组织定位和OsSUTs的表达结果显示，OsSUT1在叶片和籽粒中表达较高，OsSUT5同样也有表达，表明OsSUT1、5参与灌浆期水稻叶片和籽粒的生理调控。OsSUT4主要在籽粒中表达，表明OsSUT4参与籽粒的灌浆过程。但OsSUT3在叶片和籽粒中都未检测出，表明OsSUT3可能不直接调控叶片和籽粒的生长发育。ossuts缺失突变体植株表型显示，ossut1和ossut3株高降低，分蘖增多，而ossut4和ossut5与野生型差异不显著。这表明OsSUT1、3对调节水稻植株生长具有重要作用。产量结果显示，所有ossuts缺失突变体的单穗产量降低。其中，ossut1的结实率、千粒重和灌浆速率显著下降，灌浆时间延长，灌浆高峰延迟。ossut3结实率以及千粒重降低。ossut4的每穗粒数大幅降低，但千粒重显著增加。ossut5表现为籽粒灌浆延迟，千粒重增加。以上结果表明OsSUT1、3、4、5在水稻籽粒灌浆中具有重要作用。 2、蔗糖转运蛋白OsSUT1、4、5功能缺失抑制了叶片蔗糖装载和转运 通过分析ossuts缺失突变体剑叶的蔗糖装载以及转运，发现OsSUT1、4、5参与源端叶片的蔗糖装载和韧皮部运输，进而调节水稻籽粒灌浆所需蔗糖的供应。结果显示，ossut1突变体剑叶光合速率下降，蔗糖在剑叶中积累，且OsSUT1在叶片韧皮部筛管伴胞中特异性高表达，表明OsSUT1参与水稻叶片的蔗糖装载。OsSUT4缺失后，蔗糖也在剑叶中积累，因此OsSUT4可能协助OsSUT1进行蔗糖装载，但其作用较小，主要用于补偿OsSUT1功能的缺失。OsSUT5在叶片中有表达，并且ossut5突变体剑叶前期光合降低，并有淀粉积累，这表明OsSUT5可能也参与蔗糖在叶片的装载。ossut3叶片中无糖积累，表明OsSUT3参与叶片蔗糖装载的功能有限。ossut3光合速率下降，可能是由于叶片叶绿素含量低所导致。叶片韧皮部汁液分析的结果显示，ossut1、4、5突变体的蔗糖转运速率降低表明OsSUT1、4、5对蔗糖长距离运输都起到了重要作用。以上结果表明OsSUT1、4、5功能缺失后，源端叶片的蔗糖装载以及转运受阻，进而影响了蔗糖向籽粒的分配，导致突变体籽粒产量下降。 3、蔗糖转运蛋白OsSUT1在籽粒蔗糖卸载和代谢过程起重要作用 通过分析ossuts缺失突变体籽粒中的蔗糖卸载以及蔗糖-淀粉代谢过程，发现OsSUT1作为主效蛋白参与籽粒的蔗糖卸载过程。结果显示，OsSUT1在籽粒的背部维管束和糊粉层中特异性表达，ossut1突变体籽粒的果皮中积累淀粉，籽粒蔗糖含量升高，与籽粒蔗糖卸载相关的OsSWEET11和15基因表达量下调，这表明OsSUT1参与蔗糖卸载，其功能缺失后，籽粒中的蔗糖卸载受阻。同时，ossut1突变体籽粒的单糖含量增加，参与单糖转运的OsSWEET4和OsINT1表达量显著上调。因此当蔗糖转运受阻时，蔗糖可能分解成单糖，通过单糖转运蛋白进行转运。但ossut1突变体胚乳中糖仍然供应不足，糖-淀粉代谢活性低，影响了淀粉合成。OsSUT4、5在籽粒的背部维管束表达，表明OsSUT4、5可能参与籽粒的蔗糖卸载，但ossut4、5突变体籽粒千粒重未受影响，而OsSUT1等其他蔗糖卸载相关基因表达水平的上调，这表明OsSUT4、5参与蔗糖的卸载功能可以被OsSUT1补偿。OsSUT3在籽粒表达低，ossut3籽粒中的糖水平与野生型无显著差异，表明OsSUT3参与籽粒蔗糖卸载的功能有限。ossut3籽粒中OsSWEETs基因在灌浆盛期下调，是由于叶片中糖的供应不足所导致。以上结果表明，OsSUT1是参与籽粒卸载和灌浆的主效蛋白，OsSUT1功能缺失后，籽粒中蔗糖卸载受阻，糖-淀粉代谢活性下降，导致灌浆差，产量降低。 综上所述，蔗糖转运蛋白OsSUT1是介导蔗糖在水稻叶片装载和籽粒卸载的主效蛋白，并且与OsSUT4、5共同参与了韧皮部的长距离运输。
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