Исследователи из Университета Нагоя, Япония, открыли механизм избирательной транспортировки сахара и гормонов в растениях. Результаты также уточняют, что транспортировка сахара необходима для мужской фертильности растений, что означает производство пыльцы. Выводы были опубликованы в Труды Национальной академии наук.
Транспортеры — это белки, которые существуют на клеточных мембранах. Каждый транспортер связывается с подложка и переносит его через клеточную мембрану. Некоторые транспортеры переносят питание, а другие несут молекулы, которые, например, помогают клеткам общаться друг с другом. Один класс транспортеров обнаружен в обоих растений и животные - сахар, который в конечном итоге станет экспортным транспортером (SWEET). SWEET распространяет сахар, такой как сахароза, в растениях. Как только СЛАДКИЙ связывается с сахарозой, он перемещается по растению, распределяя его так, чтобы растение могло получать питание и расти. Здесь сахароза, переносимая транспортером, называется субстратом.
Важно отметить, что SWEET имеет более одного субстрата. Например, некоторые виды СЛАДКОГО в растениях арабидопсиса также перевозки гормон гиббереллин (ГА), который контролирует рост растений и воспроизведение. Эти типы SWEET обладают способностью транспортировать сахарозу и GA, но физиологическая значимость их соответствующей транспортной активности не понятна. И сахароза, и ГК необходимы для роста и развития растений, и каждая из них имеет уникальную структуру.
«Как SWEET может связываться с обеими этими различными структурами и как SWEET выбирает для транспортировки сахарозу или GA, было неясно», — сказал доктор Масаёси Накамура, назначенный доцент Института трансформирующих биомолекул (WPI-ITbM). в Нагойском университете.
Кроме того, когда некоторые типы SWEET мутируют в растениях, растение становится мужским стерильным, а это означает, что оно не может производить пыльцу. Однако причины этого бесплодия были неясны. Это могло быть связано с недостатком транспорта сахарозы, отсутствием транспорта ГА или и тем, и другим. Чтобы изучить эти вопросы, исследовательская группа под руководством доктора Накамуры объединила молекулярно-динамическое моделирование с классическими генетическими методологиями. В своих экспериментах они сосредоточились на типе SWEET под названием SWEET13, который, как известно, транспортирует как сахарозу, так и GA, а также необходим для мужская фертильность.
Чтобы понять, как сахароза и ГА связываются со SWEET и транспортируются им, они сначала применили технику, называемую молекулярно-динамическим моделированием. Этот метод имитировал стыковку между SWEET13 и сахарозой, а также стыковку между SWEET13 и GA на основе их структур. Используя эти вычислительные модели, исследователи предсказали аминокислоты в SWEET13, которые распознают сахарозу и GA.
Впоследствии, используя клеточные культуры, они подтвердили, необходимы ли эти аминокислоты для транспортной активности сахарозы и GA SWEET13. Конкретный сайт SWEET13 с аминокислотой, называемой аспарагин и серин, был важен для транспортной активности сахарозы и GA соответственно.
Затем, чтобы выяснить, как происходит мужское бесплодие, исследователи заменили одну из вышеупомянутых аминокислот, получив SWEET, который переносит только сахарозу, и SWEET, который переносит только GA. С SWEET, который транспортирует только сахарозу, но не GA, растение произвело пыльцу. Однако с SWEET, который транспортирует только GA, но не сахарозу, растение не смогло произвести пыльцу. Эти результаты означают, что SWEET транспортирует сахарозу, а не GA, что необходимо для производства пыльцы.
«Объединив молекулярный докинг, моделирование молекулярной динамики и генетические методологии, мы успешно протестировали селективность субстратов [то есть сахарозы и ГК] по отдельности», — сказал д-р Накамура. Кроме того, помимо SWEET существуют и другие переносчики, которые несут несколько различных субстратов. «Наши методологии могут исследовать другие переносчики и субстраты, и это продвинет исследования переносчиков», — сказал он.
Более глубокое понимание транспорта сахара и гормонов в растениях может привести к улучшению методов ведения сельского хозяйства, которые будут более эффективными и устойчивыми, чем существующие методы.