在綠色植物的奇妙世界里,糖不僅是它們通過光合作用制造的美味“能量大餐”,還是支撐植物生長發(fā)育、應(yīng)對環(huán)境變化的重要物質(zhì)。而在這場糖的“運(yùn)輸大賽”中,一群叫作“糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白”的小分子扮演著至關(guān)重要的角色。
近日,中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所食品化學(xué)與安全檢測研究團(tuán)隊(duì)全面闡述了植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究進(jìn)展及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用前景,揭示了這一“甜蜜”奧秘,為作物增產(chǎn)研究提供了重要的理論依據(jù)。相關(guān)論文發(fā)表于《國際生物大分子》。
植物工廠里的“快遞員”
想象一下,植物就像是一個(gè)個(gè)忙碌的工廠,葉子是制造糖的車間,而果實(shí)、種子等其他部分則是需要糖的部門。糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就像是工廠里的快遞員,它們負(fù)責(zé)把葉子制造的糖安全、高效地送到植物的“需求部門”。
“過去10年里,科學(xué)家在植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能研究方面取得了顯著進(jìn)展,尤其是在與糖轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因功能鑒定方面。然而,關(guān)于這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)控機(jī)制的多樣性及其復(fù)雜作用網(wǎng)絡(luò),依然研究不足?!敝袊茖W(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所研究員曾凡逵表示,全球?qū)Z食安全和作物增產(chǎn)的需求不斷增加,迫切需要更深入研究糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)控潛力,提出新的解決策略。
通過大量實(shí)驗(yàn),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能多樣性體現(xiàn)在其復(fù)雜的分類和作用機(jī)制上。
通俗來說,這些“快遞員”有三種類型:糖最終輸出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
糖最終輸出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就像專門負(fù)責(zé)特殊任務(wù)的快遞員,它們與種子灌漿和病原菌感染有關(guān),確保種子在發(fā)育過程中獲得足夠的能量,并在病原菌入侵時(shí)采取防御措施。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則是“大宗貨物運(yùn)輸專家”,它們主要轉(zhuǎn)運(yùn)蔗糖,將大量糖分從源器官運(yùn)送到庫器官。而單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則像是那些靈活多變的快遞員,它們負(fù)責(zé)在不同組織和亞細(xì)胞水平間轉(zhuǎn)運(yùn)單糖,滿足植物的各種需求。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白各負(fù)其責(zé),共同參與植物體內(nèi)糖分的運(yùn)輸和分配。
讓作物“吃得更飽”
“我們發(fā)現(xiàn),這些糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不僅工作勤奮,而且非常聰明。它們能夠根據(jù)植物的需要,靈活調(diào)整糖的運(yùn)輸速度和方向?!痹插有χf。更重要的是,通過調(diào)控這些糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,可以讓作物“吃得更飽”,從而長得更好、產(chǎn)量更高。
首先,增強(qiáng)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與共生微生物的相互作用是提高作物產(chǎn)量的重要策略之一。研究人員發(fā)現(xiàn),通過這一策略,可以幫助植物更好地吸收土壤中的養(yǎng)分,比如磷和氮。這就像給植物吃了“營養(yǎng)補(bǔ)品”,讓它們長得更壯實(shí)。
其次,光周期是影響植物生長和發(fā)育的重要因素之一。通過建立光周期與糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之間的調(diào)控關(guān)系模型,科學(xué)家優(yōu)化了植物的光合作用,讓植物在有限的光照時(shí)間里,生產(chǎn)出更多糖。這就像給植物安裝了“高效節(jié)能燈”,讓它們的光合作用更加高效。
此外,利用先進(jìn)的基因編輯技術(shù),對糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行改良,優(yōu)化其在植物體內(nèi)的功能和表達(dá)模式,從而培育出產(chǎn)量更高的作物品種。這就像給植物進(jìn)行了“基因升級”,讓它們的生產(chǎn)潛力得到充分發(fā)揮。
曾凡逵告訴《中國科學(xué)報(bào)》:“就像給一個(gè)饑餓的人提供更多的食物,他就會變得更強(qiáng)壯一樣,科學(xué)家通過增強(qiáng)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與共生微生物的相互作用,給作物找到了更多的‘好朋友’,這些‘好朋友’可以幫助作物吸收更多養(yǎng)分,從而促進(jìn)作物的生長和發(fā)育。”
幫植物渡過難關(guān)的“守護(hù)者”
在干旱、鹽漬、低溫等逆境條件下,植物往往面臨巨大挑戰(zhàn)。糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就像“守護(hù)者”,通過調(diào)控糖分的輸出和積累,保護(hù)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性,幫助植物渡過難關(guān)。
比如,在冷脅迫條件下,一些特定的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白給植物披上了一層“保暖衣”,通過積累糖分保護(hù)細(xì)胞膜免受損傷。而在干旱或鹽脅迫條件下,其他類型的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白則給植物安裝了一個(gè)“調(diào)節(jié)器”,通過調(diào)控糖分的轉(zhuǎn)運(yùn)來維持細(xì)胞的滲透壓平衡,讓植物在逆境中茁壯成長。
這些植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白讓作物在生長過程中獲得了足夠的能量和養(yǎng)分,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。
近年來,隨著基因測序和基因編輯技術(shù)的不斷發(fā)展,科學(xué)家在植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能研究方面取得了顯著進(jìn)展。
“未來,隨著研究技術(shù)的不斷進(jìn)步和跨學(xué)科合作的深入開展,會有更多關(guān)于植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的新發(fā)現(xiàn)和新策略涌現(xiàn)出來?!痹插颖硎荆拔覀兿M軌虬l(fā)現(xiàn)更多新的‘甜蜜’策略,為作物增產(chǎn)、抗逆性改良以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供更有力的理論支撐和技術(shù)支持?!保ㄈ~滿山)