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HvSWEET11b plays a multifunctional role in grain development of barley
HvSWEET11b spielt eine zentrale Rolle bei der Kornentwicklung von Gerste


Gatersleben, Germany
March 20, 2023



Visualization by Magnetic Resonance Imaging revealed changes in sucrose allocation within SWEET11b-affected grains (back image) when compared to wild type (front image) consistent with the changes to the cytokinin gradient across grains.
 

Even though Sugars Will Eventually be Exported Transporters (SWEETs) have been found in every plant genome, a comprehensive understanding of their functionality is lacking. An international research team led by the IPK Leibniz Institute has therefore investigated the role that SWEETs play in barley grain development and looked into the question of which substrates are transported by the SWEET proteins in the seed. They revealed that expressing HvSWEET11b in African clawed frog (Xenopus laevis) oocytes facilitated the bidirectional transfer of not only just sucrose and glucose, but also plant hormone cytokinin. The results have been published in the journal Plant Cell.

Sugars Will Eventually be Exported Transporter (SWEET) is a large family of proteins, which have been found in every sequenced plant genome. The main function of SWEETs is the transport of sugars like sucrose and glucose. This makes SWEETs important for various processes during a plant's growth and development. However, the SWEET family in barley was not characterized so far either in terms of its capabilities to transport specific substrates or their functional roles in grain's growth and development.

Barley is fourth most important cereal crop grown for its grains. To achieve high yield, the grains must be supplied by sugars and phytohormones from the mother plant. Of 23 barley SWEET genes, HvSWEET11b, HvSWEET15a, and HvSWEET4 are predominantly active in the developing grains. “HvSWEET11b protein functions not only as a sugar transporter but is able also to transport the plant hormone cytokinin”, says Dr. Volodymyr Radchuk, first author of the study.

Plants carrying a homozygous mutation of HvSWEET11b fail to set any viable grain. The partial repression of HvSWEET11b transcription alters the allocation of both sucrose and cytokinin in the grain and results in fewer endosperm cells, lower starch and protein accumulation, and a reduction of the grain size at maturity. The dual substrate capacity of a single transporter protein provides the plant with an efficient means of coordinating the grain's development and filling. Given the finding that HvSWEET11b mediates the transfer of sugars, and cytokinins in Xenopus oocytes and that changes in the development of HvSWEET11b-repressed grains are associated with perturbed sucrose and cytokinin flow through the maternal tissues toward the endosperm, HvSWEET11b likely plays a multifunctional role in grain development, depending on substrate availability.

“Our findings provide important insights into how plants can transport various compounds using only a limited number of transporters”, says Dr. Ljudmilla Borisjuk, head of IPK’s research group Assimilate Allocation and NMR. The dual function of HvSWEET11b in developing grains at the borders of two plant generations is an expression of the fact that the roles of sugars and phytohormones in plant development are highly integrated. “The balanced transfer of sugars and plant hormones between generations is likely an important cue in the adaptation of plant growth to an ever-changing environment and opens a potential for further yield improvement”, says Dr. Ljudmilla Borisjuk.

Original publication:
Radchuk et al. (2023): SWEET11b transports both sugar and cytokinin in developing barley grains. The Plant Cell. DOI: 10.1093/plcell/koad055

Note: The publication was highlighted as the Plant Cell Article of the Week by the Signal newsletter issued by American Society of Plant Biologists (ASPB).



HvSWEET11b spielt eine zentrale Rolle bei der Kornentwicklung von Gerste

Obwohl es in jedem Pflanzengenom sogenannte "Sugars Will Eventually be Exported Transporters" (SWEETs) gibt, fehlt bislang noch ein umfassendes Verständnis ihrer Funktionsweise. Ein internationales Forscherteam unter Leitung des IPK-Leibniz-Instituts hat deshalb untersucht, welche Rolle SWEETs bei der Entwicklung des Gerstenkorns spielen und ist der Frage nachgegangen, welche Substrate von den SWEET-Proteinen im Samen transportiert werden. Sie konnten zeigen, dass die Expression von HvSWEET11b in Eizellen des Afrikanischen Krallenfrosches (Xenopus laevis) nicht nur den bidirektionalen Transfer von Saccharose und Glucose, sondern auch des Pflanzenhormons Cytokinin erleichtert.

Sugars Will Eventually be Exported Transporter (SWEET) gehören zu einer große Familie von Proteinen, die in jedem bisher sequenzierten Pflanzengenom gefunden wurden. Die Hauptfunktion der SWEETs ist der Transport von Zuckern wie Saccharose und Glukose. Damit sind SWEETs für verschiedene Prozesse während des Wachstums und der Entwicklung einer Pflanze wichtig. Die SWEET-Familie in Gerste wurde jedoch bisher weder hinsichtlich ihrer Fähigkeiten zum Transport spezifischer Substrate noch hinsichtlich ihrer Rolle bei Wachstum und Entwicklung des Getreides charakterisiert.

Gerste ist weltweit die viertwichtigste Getreideart, die wegen ihrer Körner angebaut wird. Um einen hohen Ertrag zu erzielen, müssen die Körner von der Mutterpflanze mit Zucker und Pflanzenhormonen versorgt werden. Von den insgesamt 23 SWEET-Genen der Gerste sind HvSWEET11b, HvSWEET15a und HvSWEET4 vor allem in den sich entwickelnden Körnern aktiv. „Das Protein HvSWEET11b fungiert nicht nur als Zuckertransporter, sondern ist auch in der Lage, das Pflanzenhormon Cytokinin zu transportieren“, sagt Dr. Volodymyr Radchuk, Erstautor der Studie, die jetzt im Journal "The Plant Cell" veröffentlicht wurde.

Pflanzen, die eine homozygote Mutation von HvSWEET11b tragen, bilden keine lebensfähigen Körner aus. Die teilweise Unterdrückung der HvSWEET11b-Transkription verändert die Verteilung von Saccharose und Cytokinin im Korn und führt zu weniger Endospermzellen, einer geringeren Stärke- und Proteinanreicherung und einer Verringerung der Korngröße bei der Reife. Weil HvSWEET11b den Transfer von Zucker und Cytokinin in Xenopus-Oozyten vermittelt und Veränderungen in der Entwicklung von HvSWEET11b-unterdrückten Körnern mit einem gestörten Saccharose- und Cytokininfluss durch das mütterliche Gewebe in Richtung Endosperm verbunden sind, spielt HvSWEET11b eine multifunktionale Rolle in der Kornentwicklung - je nach Substratverfügbarkeit.

„Unsere Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen verschiedene Verbindungen mit nur einer begrenzten Anzahl von Transportern transportieren können“, sagt Dr. Ljudmilla Borisjuk, Leiterin der IPK-Forschungsgruppe „Assimilat-Allokation und NMR“ am IPK. Die Doppelfunktion von HvSWEET11b in der Entwicklung von Körnern an der Grenze zwischen zwei Pflanzengenerationen zeigt, dass die Rollen von Zuckern und Phytohormonen in der Pflanzenentwicklung stark integriert sind. „Die ausgewogene Übertragung von Zuckern und Pflanzenhormonen zwischen den Generationen ist ein wichtiger Hinweis für die Anpassung des Pflanzenwachstums an eine sich verändernde Umwelt und eröffnet Potenziale für weitere Ertragssteigerungen", erklärt Dr. Ljudmilla Borisjuk.

Originalpublikation:

Radchuk et al. (2023): SWEET11b transports both sugar and cytokinin in developing barley grains. The Plant Cell. DOI: 10.1093/plcell/koad055

Weitere Informationen:

http://Hinweis: Die Veröffentlichung wurde im Newsletter Signal der American Society of Plant Biologists (ASPB) als Artikel der Woche hervorgehoben.



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Website: http://www.ipk-gatersleben.de

Published: March 20, 2023