【文匯報(bào)】有望解決“隱性饑餓”,上??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)植物種子鐵含量關(guān)鍵基因
文章來(lái)源:分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時(shí)間:2021-09-04 | 【打印】 【關(guān)閉】
2021年9月4日,Science子刊Science Advances 發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組題為 “位于類突觸小泡上的硝酸根/寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族成員控制植物鐵和銅向籽粒的運(yùn)輸” 的研究論文。
該研究首次鑒定到長(zhǎng)久以來(lái)植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)家所關(guān)注的植物中鐵運(yùn)輸關(guān)鍵基因NAET1和NAET2,發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因編碼蛋白能夠以類似動(dòng)物神經(jīng)遞質(zhì)釋放的方式將鐵運(yùn)輸關(guān)鍵小分子化合物nicotianamine (NA)分泌到細(xì)胞外,從而幫助植物體內(nèi)鐵、銅等離子的長(zhǎng)距離運(yùn)輸,促進(jìn)它們?cè)谧蚜V械姆e累。
鐵營(yíng)養(yǎng)缺乏是目前全球最嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題之一,它會(huì)造成缺鐵性貧血病、兒童發(fā)育遲緩以及記憶力衰退等疾病,所以這種微量元素缺乏問(wèn)題又被稱為“隱性饑餓” 。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示,全球約20億人面臨著鐵缺乏引起的“隱性饑餓”問(wèn)題,其中又以孕婦和兒童最為嚴(yán)重。
這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物來(lái)源的主食含鐵量極低,而且其中的抗?fàn)I養(yǎng)因子還會(huì)進(jìn)一步阻礙人體對(duì)鐵的吸收。
植物中鐵元素向籽粒的運(yùn)輸依賴于一種植物特有的非編碼氨基酸NA,它可以與鐵及其他二價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合形成穩(wěn)定的螯合物,使得細(xì)胞中容易沉淀的鐵離子在植物中能夠自由地長(zhǎng)距離運(yùn)輸。
有趣的是,NA也是促進(jìn)人類和動(dòng)物鐵吸收的最佳增強(qiáng)劑,同時(shí)還有助于預(yù)防老年癡呆和高血壓,因此其在植物中的運(yùn)輸和積累不僅對(duì)于植物本身具有重要意義,對(duì)于人類健康同樣具有重大價(jià)值。
然而,NA在細(xì)胞中合成之后如何被運(yùn)送到細(xì)胞之外與鐵結(jié)合,如何與鐵一起共轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒,一直是植物營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域的未解之謎。
這項(xiàng)研究巧妙的運(yùn)用酵母異源表達(dá)體系,發(fā)現(xiàn)擬南芥中兩個(gè)硝酸根/寡肽運(yùn)輸?shù)鞍准易宄蓡TNPF5.8和NPF5.9,具有將NA分泌到細(xì)胞外的能力,因此將這兩個(gè)蛋白名為NAET1(NA外排運(yùn)輸?shù)鞍?)和NAET2(NA外排運(yùn)輸?shù)鞍?)。
分子遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、植物生理學(xué)以及分析化學(xué)的系統(tǒng)研究表明,這兩個(gè)基因直接控制了NA在植物兩種運(yùn)輸管道木質(zhì)部和韌皮部的分泌和裝載,而缺失它們則不僅導(dǎo)致種子及幼葉等器官NA含量大幅度降低,同時(shí)也導(dǎo)致鐵、銅等元素含量的急劇降低。
進(jìn)一步的分子生物學(xué)和生物化學(xué)研究顯示,這兩個(gè)NAET蛋白介導(dǎo)的NA分泌機(jī)制與常見植物物質(zhì)直接外排方式具有明顯不同。
研究發(fā)現(xiàn),它們不位于這類蛋白常見的細(xì)胞表面,而是定位在細(xì)胞內(nèi)一種特殊的囊泡上。NAET蛋白先將細(xì)胞質(zhì)中合成的NA裝載至這種特殊的囊泡,并進(jìn)一步利用囊泡運(yùn)輸以胞吐的方式將NA釋放到細(xì)胞外。
這種物質(zhì)外排的方式與動(dòng)物的神經(jīng)遞質(zhì)的釋放方式極為相似,曾被認(rèn)為是動(dòng)物所特有的物質(zhì)運(yùn)輸方式,而在植物中并不存在。因而,此項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了影響植物種子里鐵、銅等離子運(yùn)輸和積累的關(guān)鍵基因,為解決人類鐵營(yíng)養(yǎng)缺乏,改善人類生命健康提供了全新視角和方案,同時(shí)也拓展了人們過(guò)去對(duì)于植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸方式的認(rèn)識(shí),深化了人們對(duì)于植物和動(dòng)物界限的理解。
中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心晁代印研究員為該論文的通訊作者,博士生晁振飛為第一作者,雷明光研究員和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授參與了研究。
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