【青年報】有望解決“隱性饑餓”,上??茖W家發(fā)現植物種子鐵含量關鍵基因
文章來源:分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間:2021-09-07 | 【打印】 【關閉】
缺鐵容易導致很多疾病,上??茖W家近日的一項研究成果有望解決這一“隱性饑餓”問題。2021年9月4日,Science子刊Science Advances 發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心晁代印研究組題為 “位于類突觸小泡上的硝酸根/寡肽轉運蛋白家族成員控制植物鐵和銅向籽粒的運輸” 的研究論文。
該研究首次鑒定到長久以來植物營養(yǎng)學家所關注的植物中鐵運輸關鍵基因NAET1和NAET2,發(fā)現這兩個基因編碼蛋白能夠以類似動物神經遞質釋放的方式將鐵運輸關鍵小分子化合物nicotianamine (NA)分泌到細胞外,從而幫助植物體內鐵、銅等離子的長距離運輸,促進它們在籽粒中的積累。
鐵營養(yǎng)缺乏是目前全球最嚴重的營養(yǎng)問題之一,它會造成缺鐵性貧血病、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題又被稱為“隱性饑餓” 。據世界衛(wèi)生組織調查顯示,全球約20億人面臨著鐵缺乏引起的“隱性饑餓”問題,其中又以孕婦和兒童最為嚴重。這是因為大多數植物來源的主食含鐵量極低,而且其中的抗營養(yǎng)因子還會進一步阻礙人體對鐵的吸收。
植物中鐵元素向籽粒的運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陽離子結合形成穩(wěn)定的螯合物,使得細胞中容易沉淀的鐵離子在植物中能夠自由地長距離運輸。有趣的是,NA也是促進人類和動物鐵吸收的最佳增強劑,同時還有助于預防老年癡呆和高血壓,因此其在植物中的運輸和積累不僅對于植物本身具有重要意義,對于人類健康同樣具有重大價值。然而,NA在細胞中合成之后如何被運送到細胞之外與鐵結合,如何與鐵一起共轉運到籽粒,一直是植物營養(yǎng)領域的未解之謎。
這項研究巧妙的運用酵母異源表達體系,發(fā)現擬南芥中兩個硝酸根/寡肽運輸蛋白家族成員NPF5.8和NPF5.9,具有將NA分泌到細胞外的能力,因此將這兩個蛋白名為NAET1(NA外排運輸蛋白1)和NAET2(NA外排運輸蛋白1)。
分子遺傳學、細胞生物學、植物生理學以及分析化學的系統(tǒng)研究表明,這兩個基因直接控制了NA在植物兩種運輸管道木質部和韌皮部的分泌和裝載,而缺失它們則不僅導致種子及幼葉等器官NA含量大幅度降低,同時也導致鐵、銅等元素含量的急劇降低。進一步的分子生物學和生物化學研究顯示,這兩個NAET蛋白介導的NA分泌機制與常見植物物質直接外排方式具有明顯不同。
研究發(fā)現,它們不位于這類蛋白常見的細胞表面,而是定位在細胞內一種特殊的囊泡上。NAET蛋白先將細胞質中合成的NA裝載至這種特殊的囊泡,并進一步利用囊泡運輸以胞吐的方式將NA釋放到細胞外。
這種物質外排的方式與動物的神經遞質的釋放方式極為相似,曾被認為是動物所特有的物質運輸方式,而在植物中并不存在。因而,此項研究發(fā)現了影響植物種子里鐵、銅等離子運輸和積累的關鍵基因,為解決人類鐵營養(yǎng)缺乏,改善人類生命健康提供了全新視角和方案,同時也拓展了人們過去對于植物營養(yǎng)物質運輸方式的認識,深化了人們對于植物和動物界限的理解。
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