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上海科学家发现植物种子铁含量关键基因

来源:文汇

2021年9月4日,Science子刊Science Advances 发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究组题为 “位于类突触小泡上的硝酸根/寡肽转运蛋白家族成员控制植物铁和铜向籽粒的运输” 的研究论文。

该研究首次鉴定到长久以来植物营养学家所关注的植物中铁运输关键基因NAET1和NAET2,发现这两个基因编码蛋白能够以类似动物神经递质释放的方式将铁运输关键小分子化合物nicotianamine (NA)分泌到细胞外,从而帮助植物体内铁、铜等离子的长距离运输,促进它们在籽粒中的积累。

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铁营养缺乏是目前全球最严重的营养问题之一,它会造成缺铁性贫血病、儿童发育迟缓以及记忆力衰退等疾病,所以这种微量元素缺乏问题又被称为“隐性饥饿” 。据世界卫生组织调查显示,全球约20亿人面临着铁缺乏引起的“隐性饥饿”问题,其中又以孕妇和儿童最为严重。

这是因为大多数植物来源的主食含铁量极低,而且其中的抗营养因子还会进一步阻碍人体对铁的吸收。

植物中铁元素向籽粒的运输依赖于一种植物特有的非编码氨基酸NA,它可以与铁及其他二价阳离子结合形成稳定的螯合物,使得细胞中容易沉淀的铁离子在植物中能够自由地长距离运输。

有趣的是,NA也是促进人类和动物铁吸收的最佳增强剂,同时还有助于预防老年痴呆和高血压,因此其在植物中的运输和积累不仅对于植物本身具有重要意义,对于人类健康同样具有重大价值。

然而,NA在细胞中合成之后如何被运送到细胞之外与铁结合,如何与铁一起共转运到籽粒,一直是植物营养领域的未解之谜。

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这项研究巧妙的运用酵母异源表达体系,发现拟南芥中两个硝酸根/寡肽运输蛋白家族成员NPF5.8和NPF5.9,具有将NA分泌到细胞外的能力,因此将这两个蛋白名为NAET1(NA外排运输蛋白1)和NAET2(NA外排运输蛋白1)。

分子遗传学、细胞生物学、植物生理学以及分析化学的系统研究表明,这两个基因直接控制了NA在植物两种运输管道木质部和韧皮部的分泌和装载,而缺失它们则不仅导致种子及幼叶等器官NA含量大幅度降低,同时也导致铁、铜等元素含量的急剧降低。

进一步的分子生物学和生物化学研究显示,这两个NAET蛋白介导的NA分泌机制与常见植物物质直接外排方式具有明显不同。

研究发现,它们不位于这类蛋白常见的细胞表面,而是定位在细胞内一种特殊的囊泡上。NAET蛋白先将细胞质中合成的NA装载至这种特殊的囊泡,并进一步利用囊泡运输以胞吐的方式将NA释放到细胞外。

这种物质外排的方式与动物的神经递质的释放方式极为相似,曾被认为是动物所特有的物质运输方式,而在植物中并不存在。因而,此项研究发现了影响植物种子里铁、铜等离子运输和积累的关键基因,为解决人类铁营养缺乏,改善人类生命健康提供了全新视角和方案,同时也拓展了人们过去对于植物营养物质运输方式的认识,深化了人们对于植物和动物界限的理解。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心晁代印研究员为该论文的通讯作者,博士生晁振飞为第一作者,雷明光研究员和华中农业大学严建兵教授参与了研究。

  作者:许琦敏

责任编辑:任荃

图片来源:中国科学院分子植物科学卓越创新中心