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【科普中國】“送快遞”“談合作”“宏觀(guān)調控”，它們是植物工廠(chǎng)的最佳雇員！
出品：科普中國
作者：劉維剛 姜紅 曾凡逵（中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監制：中國科普博覽
編者按：為揭開(kāi)科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開(kāi)啟一段段充滿(mǎn)熱情、挑戰與驚喜的旅程。
在生物體內，細胞是生命活動(dòng)的基本單位。細胞如同一個(gè)個(gè)精密運轉的微型工廠(chǎng)，它們的正常運轉離不開(kāi)源源不斷的能量供應。而糖類(lèi)，恰似為這些微型工廠(chǎng)提供動(dòng)力的“燃料”，精準且持續地為植物生長(cháng)發(fā)育的每一個(gè)精細環(huán)節注入蓬勃動(dòng)力。
那么，這些“燃料”是如何精準無(wú)誤地抵達細胞的呢？這就不得不提到植物體內一群神奇的“糖轉運蛋白”分子家族，它們是糖分運輸的載體，負責不同類(lèi)型的糖轉運，在植物生長(cháng)發(fā)育過(guò)程中扮演著(zhù)至關(guān)重要的角色。
深入了解糖轉運蛋白，不僅能讓我們揭開(kāi)植物生長(cháng)的奧秘，還對提高作物產(chǎn)量有著(zhù)深遠的意義。
植物體內的“糖分快遞員”
想象一下，植物就像是一個(gè)個(gè)忙碌的工廠(chǎng)，葉子則是“綠色車(chē)間”，通過(guò)光合作用將二氧化碳和水制造成糖，而根、種子等其他器官/組織則是需要這些糖的“客戶(hù)”。一部分糖被消耗，用于維持植物自身的生長(cháng)和代謝，另一部分則被貯存在“客戶(hù)”手中，形成“能量?jì)Υ鎺臁薄?/span>
植物體內的“糖分快遞員”——糖轉運蛋白
（圖片來(lái)源：AI輔助生成）
糖轉運蛋白如同工廠(chǎng)里訓練有素、行動(dòng)敏捷的專(zhuān)業(yè)快遞員，它們負責有條不紊地把糖安全、高效地送到植物的“需求部門(mén)”。以此來(lái)源源不斷地為植物提供能量和物質(zhì)，植物才能茁壯成長(cháng)。糖貫穿了植物生命的每一個(gè)階段，從種子萌發(fā)到開(kāi)花結果，都離不開(kāi)糖的支持。在種子發(fā)育過(guò)程中，糖被轉化為淀粉等儲存物質(zhì)，為下一代的生命旅程儲備能量。在果實(shí)的孕育過(guò)程中，糖的積累也使得果實(shí)更加飽滿(mǎn)。
植物的光合作用
（圖片來(lái)源：AI輔助生成）
通俗來(lái)說(shuō)，這些“快遞員”有三種類(lèi)型：糖最終輸出轉運蛋白（SWEETs）、蔗糖轉運蛋白（SUTs/SUCs）和單糖轉運蛋白（MSTs）。當糖類(lèi)分子在細胞外或者細胞內的某個(gè)部位靠近糖轉運蛋白時(shí)，轉運蛋白上的“貨物卡槽”會(huì )精準識別并結合特定的糖類(lèi)分子。因此，糖轉運蛋白的“業(yè)務(wù)專(zhuān)長(cháng)”和“裝備配置”不同，工作模式不同，功能各異。
糖最終輸出轉運蛋白就像是專(zhuān)門(mén)負責特殊任務(wù)的快遞員，它們擁有獨特的結構，恰似精心設計的“分子通道”，鑲嵌在植物細胞的細胞膜上。它們積極參與植物應對干旱、高溫、低溫等極端環(huán)境，確保植物在發(fā)育過(guò)程中獲得足夠的能量，并在面對病原體的侵染時(shí)激活自身的防御反應。
蔗糖轉運蛋白宛如植物體內高效運作的“蔗糖專(zhuān)線(xiàn)”快遞員，一端緊連光合作用的“生產(chǎn)車(chē)間”葉片，當葉片合成蔗糖后，它便迅速“接單”，以極高的效率和精準度，將蔗糖穩穩地裝載在其獨特的“運輸載體”上，沿著(zhù)植物體內復雜的“物流網(wǎng)絡(luò )”，日夜兼程地駛向植物的各個(gè)“需求站點(diǎn)”。
而單糖轉運蛋白猶如植物機體中專(zhuān)注的“單糖速達”快遞員，在復雜的植物組織網(wǎng)絡(luò )中細胞的“大街小巷”中快速穿梭，把單糖高效傳遞給每個(gè)需要能量的細胞“住戶(hù)”，滿(mǎn)足植物的各種需求。這些轉運蛋白各自具有獨特的功能，共同參與了植物體內糖分的運輸和分配。
不僅是“快遞員”，它們還是讓作物增產(chǎn)的“法寶”
這些神奇的糖轉運蛋白，可不只是簡(jiǎn)單的“快遞員”，它們靈活多變，精準洞悉植物在生長(cháng)各階段的需求變化，可根據植物的需要，靈活調整糖的運輸速度和方向。因此，作物得以充分攝取糖分，根系變得發(fā)達，枝干粗壯，葉片翠綠，光合作用效率提高，生長(cháng)態(tài)勢顯著(zhù)改善。最終，作物不僅長(cháng)得更健壯，產(chǎn)量也大幅提升。糖轉運蛋白提高作物產(chǎn)量的方法主要有以下三種：
1. 與共生微生物合作；
首先，增強糖轉運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。互惠微生物宛如一群微小卻神通廣大的“精靈”，與植物締結了緊密且精妙的共生契約?；セ菸⑸锟梢詾橹参锾峁└嗟臓I(yíng)養物質(zhì)如氮、磷、鉀；植物則為微生物提供更多的糖分，二者互利共贏(yíng)。糖轉運蛋白就像互惠微生物的“補給車(chē)”，負責它的能量補給。通過(guò)這一策略，可以幫助植物更好地吸收土壤中的養分，比如磷和氮。這就像給植物吃了“營(yíng)養補品”，讓它們長(cháng)得更壯實(shí)。
（圖片來(lái)源：研究團隊供圖）
2. 優(yōu)化光合作用；
其次，光合作用是影響植物生長(cháng)發(fā)育的重要因素。光合作用是糖轉運蛋白的“任務(wù)發(fā)布者”，其產(chǎn)生的能量需求信息就像下達的指令，糖轉運蛋白如同繁忙港口的智能裝卸設備，能夠迅速且精確地將“貨物”（糖分）卸載并轉運至目的地，加速糖分的運輸調配，以滿(mǎn)足植物生長(cháng)各環(huán)節的能量需求。通過(guò)建立光合作用與糖轉運蛋白之間的動(dòng)態(tài)調控模型，優(yōu)化了植物對光能的利用及糖分的分配，這就需要“招募”更多的糖轉運蛋白快遞員投入工作，加快糖類(lèi)的運輸速度，讓其光合作用的能量轉化成果快速在體內流通。
（圖片來(lái)源：研究團隊供圖）
3. 遺傳策略；
此外，基因編輯等手段也是提高作物產(chǎn)量的重要手段?；蚓庉嬀拖裆衿娴摹吧中g(shù)刀”與“遺傳畫(huà)筆”，將具有特殊功能的基因片段巧妙地融入到作物原本的糖轉運蛋白基因藍圖之中，使作物的生長(cháng)密碼得以?xún)?yōu)化升級，讓它們的產(chǎn)量潛力得到充分發(fā)揮。這就恰似給大力士提供了更多的“能量飲料”，它們會(huì )變得更有力量和活力，可以幫助作物吸收更多的養分，從而加快作物物的生長(cháng)速度和發(fā)育進(jìn)程。
（圖片來(lái)源：研究團隊供圖）
提高作物產(chǎn)量的策略
（圖片來(lái)源：研究團隊提供）
植物應對逆境的“守護者”
植物的生長(cháng)之路并非總是一帆風(fēng)順，往往會(huì )面臨干旱、鹽漬、低溫等諸多極為嚴苛的逆境條件，給植物的正常生長(cháng)發(fā)育帶來(lái)巨大的挑戰。這時(shí)，糖轉運蛋白會(huì )通過(guò)調節體內糖的代謝和分布來(lái)適應環(huán)境，它們，就像那些勇敢的“守護者”，筑起一道堅不可摧的銅墻鐵壁，精準且高效地調控著(zhù)糖分的輸出和積累，將細胞內合成的糖分有序地運輸到各個(gè)關(guān)鍵部位，平衡細胞內外的滲透壓，從而保護細胞膜的穩定性和完整性，幫助植物渡過(guò)難關(guān)。
比如，在干旱脅迫條件下，某些特殊的糖轉運蛋白就像給植物打造了一個(gè)“儲水護盾”，通過(guò)加速糖分積累，提升細胞液濃度，增強植物對水分的吸附能力，減少水分流失。在鹽堿脅迫條件下，特定的糖轉運蛋白如同給植物穿上了一套“隔離防護服”，通過(guò)調節糖分在細胞內外的分布，阻擋過(guò)多的鹽分進(jìn)入細胞，降低鹽分對細胞的毒害。
而在高溫脅迫環(huán)境中，這類(lèi)糖轉運蛋白又像給植物安裝了一臺“降溫風(fēng)扇”，通過(guò)調控糖分運輸，促使植物啟動(dòng)特定的生理機制，調節體溫，避免因高溫而“中暑”。在低溫環(huán)境中，植物細胞內的糖含量會(huì )增加，就像給細胞穿上了一件“保暖衣”，降低細胞液的冰點(diǎn)，防止細胞被凍傷。因此，糖轉運蛋白保證了植物細胞內那些維持生命的化學(xué)反應得以在逆境中持續地運轉，讓植物在惡劣的環(huán)境中也能保持良好的生長(cháng)節奏。
植物體內的智能“調節器”
糖轉運蛋白也受到多種因素調控，以確保植物體內糖類(lèi)運輸的高效與精準。各信號轉導途徑精密調控著(zhù)糖轉運蛋白的功能，就像是糖轉運蛋白組成物流網(wǎng)絡(luò )的“遙控器”，負責糖轉運蛋白的調度，而糖轉運蛋白在植物體內就像智能“調節器”，從植物種子萌發(fā)的那一刻起，一直到植物完成整個(gè)生命周期，它都在默默地發(fā)揮著(zhù)調節作用，將不同的糖類(lèi)運往植物的各個(gè)需求部位，確保植物能夠高效地利用糖類(lèi)資源，保證生命活動(dòng)的正常運轉。對植物的生長(cháng)、發(fā)育過(guò)程進(jìn)行著(zhù)全方位的調控，為植物的生命活動(dòng)保駕護航。
未來(lái)可期
糖轉運蛋白作為植物生長(cháng)過(guò)程中的“甜蜜使者”，在植物的生命活動(dòng)中扮演著(zhù)重要角色。目前，我們對植物糖轉運蛋白的認識還只是冰山一角。展望未來(lái)，隨著(zhù)基因測序和基因編輯技術(shù)的發(fā)展，將會(huì )源源不斷地誕生更多有關(guān)糖轉運蛋白的新發(fā)現與新成果，呈現出多維度的發(fā)展趨勢。這些新發(fā)現與新成果不僅會(huì )進(jìn)一步拓寬我們對糖轉運蛋白作用的奧秘，更有望引領(lǐng)我們開(kāi)創(chuàng )更多突破性的“甜蜜”方案，為培育適應極端環(huán)境的作物品種、增強農作物的綜合抗逆能力以及推動(dòng)農業(yè)的高效穩定發(fā)展提供更為堅實(shí)的理論指引和技術(shù)支撐。
來(lái)源:中國科普博覽
