Nonphotosynthetic plastids are important sites for the biosynthesis of starch, fatty acids, and the assimilation of nitrogen into amino acids in a wide range of plant tissues. Unlike chloroplasts, all the metabolites for these processes have to be imported, or generated by oxidative metabolism within the organelle. The aim of this review is to summarize our present understanding of the anabolic pathways involved, the requirement for import of precursors from the cytosol, the provision of energy for biosynthesis, and the interaction between pathways that share common intermediates. We emphasize the temporal and developmental regulation of events, and the variation in mechanisms employed by different species that produce the same end products.

Abstract Here, we report that SUGARS WILL EVENTUALLY BE EXPORTED TRANSPORTER (SWEET16) from Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) is a vacuole-located carrier, transporting glucose (Glc), fructose (Fru), and sucrose (Suc) after heterologous expression in Xenopus laevis oocytes. The SWEET16 gene, similar to the homologs gene SWEET17, is mainly expressed in vascular parenchyma cells. Application of Glc, Fru, or Suc, as well as cold, osmotic stress, or low nitrogen, provoke the down-regulation of SWEET16 messenger RNA accumulation. SWEET16 overexpressors (35SPro:SWEET16) showed a number of peculiarities related to differences in sugar accumulation, such as less Glc, Fru, and Suc at the end of the night. Under cold stress, 35SPro:SWEET16 plants are unable to accumulate Fru, while under nitrogen starvation, both Glc and Fru, but not Suc, were less abundant. These changes of individual sugars indicate that the consequences of an increased SWEET16 activity are dependent upon the type of external stimulus. Remarkably, 35SPro:SWEET16 lines showed improved germination and increased freezing tolerance. The latter observation, in combination with the modified sugar levels, points to a superior function of Glc and Suc for frost tolerance. 35SPro:SWEET16 plants exhibited increased growth efficiency when cultivated on soil and showed improved nitrogen use efficiency when nitrate was sufficiently available, while under conditions of limiting nitrogen, wild-type biomasses were higher than those of 35SPro:SWEET16 plants. Our results identify SWEET16 as a vacuolar sugar facilitator, demonstrate the substantial impact of SWEET16 overexpression on various critical plant traits, and imply that SWEET16 activity must be tightly regulated to allow optimal Arabidopsis development under nonfavorable conditions.

SummaryIn higher plants, soluble sugars are mainly present as sucrose, glucose, and fructose [1]. Sugar allocation is based on both source-to-sink transport and intracellular transport between the different organelles [2, 3] and depends on actual plant requirements [4]. Under abiotic stress conditions, such as nitrogen limitation, carbohydrates accumulate in plant cells [5]. Despite an increasing number of genetic studies [6, 7], the genetic architecture determining carbohydrate composition is poorly known. Using a quantitative genetics approach, we determined that the carrier protein SWEET17 is a major factor controlling fructose content in Arabidopsis leaves. We observed that when SWEET17 expression is reduced, either by induced or natural variation, fructose accumulates in leaves, suggesting an enhanced storage capacity. Subcellular localization of SWEET17-GFP to the tonoplast and functional expression in Xenopus oocytes showed that SWEET17 is the first vacuolar fructose transporter to be characterized in plants. Physiological studies in planta provide evidence that SWEET17 acts to export fructose out of the vacuole. Overall, our results suggest that natural variation in leaf fructose levels is controlled by the vacuolar fructose transporter SWEET17. SWEET17 is highly conserved across the plant kingdom; thus, these findings offer future possibilities to modify carbohydrate partitioning in crops.Highlights•QTL FR3.4 fine maps to the SWEET17 member of the SWEET sugar transporter family•Control of fructose content by SWEET17 is uncoupled from further metabolic pathways•SWEET17 is a tonoplast-localized fructose transport protein•In planta, SWEET17 governs vacuolar fructose levels

ABSTRACT Tomato, an important fruit crop worldwide, requires efficient sugar allocation for fruit development. However, molecular mechanisms for sugar import to fruits remain poorly understood. Expression of SWEET (Sugars Will Eventually be Exported Transporters) proteins is closely linked with hexose ratio in tomato fruits and may be involved in sugar allocation. Here, using quantitative PCR, we discovered that SlSWEET15 was highly expressed in developing fruits compared to vegetative organs. Based on in situ hybridization and GUS fusion analyses, Sl SWEET15 proteins accumulated in vascular tissues and seed coats, major sites of sucrose unloading in fruits. Localizing Sl SWEET15-GFP to the plasma membrane supported its putative role in apoplasmic sucrose unloading. The sucrose transport activity of Sl SWEET15 was confirmed by complementary growth assays in a yeast mutant. Elimination of the Sl SWEET15 function by CRISPR/cas9 gene editing significantly decreased average sizes and weights of fruits, with severe defects in seed filling and embryo development. Together, we confirmed the role of Sl SWEET15 in mediating sucrose efflux from the releasing phloem to the fruit apoplasm and subsequent import into parenchyma cells during fruit development. Furthermore, Sl SWEET15-mediated sucrose efflux was also required for sucrose unloading from the seed coat to the developing embryo. One-sentence Summary Sl SWEET15, a specific sucrose uniporter in tomato, mediates apoplasmic sucrose unloading from releasing phloem cells and seed coat for carbon supply during fruit expansion and seed filling.

Abstract Sugars Will Eventually be Exported Transporters (SWEETs) are the most recently discovered family of plant sugar transporters. Functioning as uniporters and thus facilitating the diffusion of sugars across cell membranes, SWEETs play an important role in various physiological processes such as abiotic stress adaptation. AtSWEET17, a vacuolar fructose facilitator, was shown to be involved in the modulation of the root system during drought. Moreover, overexpression of a homolog from apple results in increased drought tolerance of tomato plants. Therefore, SWEET17 appears to be essential for the plant’s drought response. Nevertheless, the role and function of SWEET17 in aboveground tissues under drought stress to date remains enigmatic. By combining gene expression analysis with analysis of the sugar profile of various aboveground tissues, we uncovered a putative role of SWEET17 in the carbohydrate supply, and thus cauline branch emergence and growth, particularly during periods of carbon limitation as occurs under drought stress. SWEET17 thereby being of critical importance for maintaining efficient reproduction under drought stress. Highlight The fructose transporter SWEET17 supports shoot branching by increasing mobilization of carbohydrates from vacuoles to supply the newly forming inflorescence branch, thereby maintaining efficient reproduction under drought stress.

Abstract Sugar beet ( Beta vulgaris subsp. vulgaris ) is the exclusive source of sugar in the form of sucrose in temperate climate zones. There, sugar beet is grown as an annual crop from spring to autumn because of the damaging effect of freezing temperatures to taproot tissue. Natural and breeded varieties display variance in the degree of tolerance to freezing temperatures and genotypes with elevated tolerance to freezing have been isolated. Here we compare initial responses to frost between genotypes with either low and high winter survival rates. The selected genotypes differed in the severity of frost injury. We combined transcriptomic and metabolite analyses of leaf- and taproot tissues from such genotypes to elucidate mechanisms of the early freezing response and to dissect genotype- and tissue-dependent responses. Freezing temperatures induced drastic downregulation of photosynthesis-related genes in leaves but upregulation of genes related to minor carbohydrate metabolism, particularly of genes involved in raffinose metabolism in both, leaf and taproot tissue. In agreement with this, it has been revealed that raffinose and the corresponding intermediates, inositol and galactinol, increased markedly in these tissues. We found that genotypes with improved tolerance to freezing, showed higher accumulation of raffinose in a defined interior region within the upper part of the taproot, the pith, representing the tissue most susceptible to freeze damages. This accumulation was accompanied by specific upregulation of raffinose synthesizing enzymes in taproots, suggesting a protective role for raffinose and its precursors for freezing damage in sugar beet.

SUMMARY Sugar beet ( Beta vulgaris ) is the major sugar-producing crop in Europe and Northern America, as the taproot stores sucrose at a concentration of around 20%. Genome sequence analysis together with biochemical and electrophysiological approaches led to the identification and characterization of the TST sucrose transporter driving vacuolar sugar accumulation in the taproot. However, the sugar transporters mediating sucrose uptake across the plasma membrane of taproot parenchyma cells remained unknown. As with glucose, sucrose stimulation of taproot parenchyma cells caused inward proton fluxes and plasma membrane depolarization, indicating a sugar/proton symport mechanism. To decipher the nature of the corresponding proton-driven sugar transporters, we performed transcriptomic taproot profiling and identified the cold-induced PMT5a and STP13 transporters. When expressed in Xenopus laevis oocytes, BvPMT5a was characterized as a voltage- and H + -driven low-affinity glucose transporter, which does not transport sucrose. In contrast, BvSTP13 operated as a high-affinity H + /sugar symporter, transporting glucose better than sucrose, and being more cold-tolerant than BvPMT5a. Modeling of the BvSTP13 structure with bound mono- and disaccharides suggests plasticity of the binding cleft to accommodate the different saccharides. The identification of BvPMT5a and BvSTP13 as taproot sugar transporters could improve breeding of sugar beet to provide a sustainable energy crop. Significance Statement In vivo electrophysiological studies with sugar beet taproots provide clear evidence for proton-coupled glucose and sucrose uptake into taproot parenchyma cells. In search for the molecular entities, the taproot-expressed BvPMT5a and BvSTP13 carriers were studied in detail, because they mediate proton-driven import of glucose and sucrose and thus provide proper candidates for sugar beet plasma membrane sugar-proton cotransporters.

Abstract Regulation of intracellular sugar homeostasis is maintained by regulation of activities of sugar import and export proteins residing at the tonoplast. We show here that the EARLY RESPONSE TO DEHYDRATION6-LIKE4 protein, being the closest homolog to the proton/glucose symporter ERDL6, resides in the vacuolar membrane. Gene expression and subcellular fractionation studies indicated that ERDL4 was involved in fructose allocation across the tonoplast. Overexpression of ERDL4 increased total sugar levels in leaves, due to a concomitantly induced stimulation of TST2 expression, coding for the major vacuolar sugar loader. This conclusion is supported by the finding that tst1-2 knockout lines overexpressing ERDL4 lack increased cellular sugar levels. ERDL4 activity contributing to the coordination of cellular sugar homeostasis is also indicated by two further observations. Firstly, ERDL4 and TST genes exhibit an opposite regulation during a diurnal rhythm, and secondly, the ERDL4 gene is markedly expressed during cold acclimation representing a situation in which TST activity needs to be upregulated. Moreover, ERDL4 -overexpressing plants show larger size of rosettes and roots, a delayed flowering time and increased total seed yield. Consistently, erdl4 knock-out plants show impaired cold acclimation and freezing tolerance along with reduced plant biomass. In summary, we show that modification of cytosolic fructose levels influences plant organ development and stress tolerance. One sentence summary The activity of the vacuolar sugar porter ERDL4 is important for balanced cytosolic monosaccharide homeostasis and influences plant growth and cold response in Arabidopsis The author responsible for distribution of materials integral to the findings presented in this article in accordance with the policy described in the Instructions for Authors is: Benjamin Pommerrenig ( pommerre@bio.uni-kl.de ).

Abstract Cassava is a crucial staple crop for smallholder farmers in tropical Asia and Sub-Saharan Africa. Although high yield remains the top priority for farmers, the significance of nutritional values has increased in cassava breeding programs. A notable negative correlation between provitamin A and starch accumulation poses a significant challenge for breeding efforts. The negative correlation between starch and carotenoid levels in conventional and genetically modified cassava plants implies the absence of a direct genomic connection between the two traits. The competition among various carbon pathways seems to account for this relationship. In this study, we conducted a thorough analysis of 49 African cassava genotypes with varying levels of starch and provitamin A. Our goal was to identify factors contributing to differential starch accumulation. With the carotenoid levels of the varieties considered as a confounding effect on starch production, we found that yellow and white-fleshed storage roots did not differ significantly in most measured components of starch or de novo fatty acid biosynthesis. However, genes and metabolites associated with myo-inositol synthesis and cell wall component production were substantially enriched in high provitamin A genotypes. These results indicate that yellow-fleshed cultivars, in comparison to their white-fleshed counterparts, direct more carbon towards the synthesis of raffinose and cell wall components, a finding that is supported by a significant rise in the starch-free residue to total dry yield ratio in yellow storage roots versus white storage roots. Our findings enhance comprehension of the biosynthesis of starch and carotenoids in the storage roots of cassava.

ABSTRACT In higher plants, the development of the vascular system is controlled by a complex network of transcription factors. However, how nutrient availability in the vascular cells affects their development remains to be addressed. At the cellular level, cytosolic sugar availability is regulated mainly by sugar exchanges at the tonoplast through active and/or facilitated transport. In Arabidopsis thaliana , among the tonoplastic transporters, SWEET16 and SWEET17 genes have been previously localized in the vascular system. Here, using a reverse genetic approach, we propose that sugar exchanges at the tonoplast, regulated by SWEET16, are important for xylem cell division as revealed in particular by the decreased number of xylem cells in the swt16 mutant and the expression of SWEET16 at the procambium-xylem boundary. In addition, we demonstrate that transport of hexoses mediated by SWEET16 and/or SWEET17 is required to sustain the formation of the xylem secondary cell wall. This result is in line with a defect in the xylem cell wall composition as measured by FTIR in the swt16swt17 double mutant and by upregulation of several genes involved in secondary cell wall synthesis. Our work therefore supports a model in which xylem development is partially dependent on the exchange of hexoses at the tonoplast of xylem-forming cells.