揭示糖和植物雄性生育能力基础激素的选择性运输

名古屋大学的研究人员发现了一种在植物中选择性运输糖分和激素的机制。结果还阐明，糖分运输对于植物的雄性生育能力是必需的，这意味着花粉的产生。研究结果发表在美国国家科学院院刊上。

转运蛋白是存在于细胞膜上的蛋白质。每个转运蛋白都与底物结合并携带它穿过细胞膜。一些转运蛋白携带营养，而另一些则携带分子，例如帮助细胞相互交流的分子。在植物和动物中发现的一类转运蛋白是糖最终将被出口的转运蛋白 (SWEET)。SWEET在植物中分配糖分，例如蔗糖。一旦 SWEET 与蔗糖结合，它就会在植物中移动，分配它，以便植物获得营养并生长。在这里，由转运蛋白携带的蔗糖被称为底物。

重要的是，SWEET 有不止一种底物。例如，拟南芥植物中的某些类型的 SWEET 还运输一种称为赤霉素 (GA) 的激素，该激素控制植物的生长和繁殖。这些类型的 SWEET 具有转运蔗糖和 GA 的能力，但其各自转运活动的生理相关性尚不清楚。蔗糖和赤霉素都是植物生长发育所必需的，并且各自具有独特的结构。

“SWEET 如何与这两种不同的结构结合，以及 SWEET 如何选择转运蔗糖或 GA，尚不清楚，”转化生物分子研究所 (WPI-ITbM) 的指定副教授 Masayoshi Nakamura 博士说。在名古屋大学。

此外，当某些类型的 SWEET 在植物中发生突变时，植物会变成雄性不育，这意味着它不能产生花粉。然而，这种不育的原因尚不清楚。这可能是由于缺乏蔗糖运输、缺乏 GA 运输或两者兼而有之。为了研究这些问题，由 Nakamura 博士领导的研究小组将分子动力学模拟与经典遗传方法相结合。在他们的实验中，他们专注于一种名为 SWEET13 的 SWEET，已知它可以运输蔗糖和 GA，并且也是男性生育所必需的。

为了解蔗糖和 GA 如何与 SWEET 结合并由其运输，他们首先进行了一种称为分子动力学模拟的技术。该技术基于它们的结构模拟了 SWEET13 和蔗糖之间的对接，以及 SWEET13 和 GA 之间的对接。使用这些计算模拟，研究人员预测了 SWEET13 中识别蔗糖和 GA 的氨基酸。

随后，使用细胞培养物，他们证实了这些氨基酸是否是 SWEET13 的蔗糖和 GA 转运活动所必需的。SWEET13 的一个特定位点含有一种叫做天冬酰胺和丝氨酸的氨基酸，分别对蔗糖和 GA 转运活动很重要。

接下来，为了阐明雄性不育是如何发生的，研究人员替换了上述氨基酸之一，生成了仅转运蔗糖的 SWEET 和仅转运 GA 的 SWEET。由于 SWEET 仅运输蔗糖而不运输 GA，因此该植物产生了花粉。然而，由于 SWEET 仅传输 GA 而不传输蔗糖，因此该植物无法产生花粉。这些结果意味着花粉生产所必需的是 SWEET 的蔗糖运输，而不是 GA。

“通过结合分子对接、分子动力学模拟和遗传方法，我们成功地分别测试了底物 [即蔗糖和 GA] 的选择性，”Nakamura 博士说。此外，除了 SWEET 之外，还有其他转运蛋白可以携带多种不同的底物。“我们的方法可以检查其他转运蛋白和底物，这将推进对转运蛋白的研究，”他说。

更多地了解植物中糖和激素的运输可能会导致改进农业方法，这些方法比目前的做法更有效、更可持续。

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