【Nature】突破！首次研究发现植物硫代葡萄糖苷转运蛋白，可作为育种靶点，提高种子营养价值

2023年4月19日，Nature在线发表了丹麦哥本哈根大学Barbara Ann Halkier和Deyang Xu团队及其合作者题为“Export of defensive glucosinolates is key for their accumulation in seeds”的研究论文。该研究发现UMAMIT家族的UMAMIT29、UMAMIT30和UMAMIT31可作为硫代葡萄糖苷的外转运蛋白，并参与硫代葡萄糖苷到种子中的转运；同时，UMAMIT外转运蛋白可作为生物工程改造的分子目标，可在不改变相关代谢物在整个植物中分布的情况下提高油料作物种子的营养价值。

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05969-x

植物的膜转运蛋白，可通过控制代谢物分布改善关键的农艺性状。策略之一是，通过内转运蛋白的突变，直接阻止抗营养因子的转运，从而消除作物可食用部分中抗营养因子的积累。然而，质膜定位的内转运蛋白和外转运蛋白的功能丧失可能对整个植物中的代谢物分布模式从根本上产生不同的影响。在十字花科油料作物中，抗营养因子硫代葡萄糖苷（glucosinolate）是一类防御化合物，并可转移到种子中。然而，由于普遍缺乏对特殊代谢物转运蛋白的认知（比如硫代葡萄糖苷的转运蛋白）；工程化改造外转运蛋白的潜力和可行性，仍没有得到有效的探索。

利用模式植物拟南芥，该研究首先发现营养组织不是种子中硫代葡萄糖苷的主要来源，生殖组织内的从头合成和运输都可以为种子提供硫代葡萄糖苷。进一步研究显示，长角果（silique valves）和珠柄（funiculi）可不断生成并向外转运积累到种子中的硫代葡萄糖苷。通过选择珠柄中高表达的跨膜蛋白的基因，并测量相应基因突变体种子中的硫代葡萄糖苷水平；该研究发现，UMAMIT29对种子中硫代葡萄糖苷的积累至关重要，并表明UMAMIT29可以在源组织中（如珠柄）充当硫代葡萄糖苷的外转运蛋白（Figure 1）。

Figure 1. 拟南芥种子中硫代葡萄糖苷源组织和转运蛋白的鉴定

UMAMIT家族可作为氨基酸促进剂；该研究发现，UMAMIT29介导的硫代葡萄糖苷的内转运和外转运都不受生理范围内谷氨酰胺和谷氨酸浓度变化的影响。在UMAMIT家族与UMAMIT29相近的其他蛋白中，UMAMIT30和UMAMIT31也在珠柄中表达。利用非洲爪蟾卵母细胞，该研究发现，UMAMIT30和UMAMIT31是硫代葡萄糖苷的单向转运蛋白，能够被动地促进硫代葡萄糖苷沿电化学梯度从细胞质到质外体的运出（Figure 2）。

Figure 2. UMAMIT29/30/31的生化和生物物理鉴定

基于以上结果，研究人员推测UMAMIT29、UMAMIT30和UMAMIT31可能一起参与了硫代葡萄糖苷到种子的转运。通过构建umamit29umamit30umamit31三重突变体，该研究发现突变体种子具有非常低水平的硫代葡萄糖苷（只有野生型的5%）；证明这些转运蛋白在将硫代葡萄糖苷转运到种子的过程中发挥了关键作用。

GTR（GLUCOSINOLATE TRANSPORTERS）也可以将硫代葡萄糖苷加载到韧皮部并转移到种子中，但gtr1gtr2gtr3突变体也会影响硫代葡萄糖苷在根和叶中的分布；与其不同，umamit29umamit30umamit31突变体并不会影响硫代葡萄糖苷在植物其他组织中的分布。值得注意的是，umamit29umamit30可恢复gtr1gtr2gtr3突变体中改变的硫代葡萄糖苷分布模式（Figure 3）。

Figure 3. umamit29/30/31突变体的种子性状和硫代葡萄糖苷分布

综上所述，该研究发现UMAMIT家族的UMAMIT29、UMAMIT30和UMAMIT31可作为硫代葡萄糖苷的外转运蛋白，它们在生殖组织珠柄中表达，并参与了硫代葡萄糖苷到种子中的转运。该研究提出，UMAMIT可促进硫代葡萄糖苷沿电化学梯度从生物合成细胞流出到质外体，而GTR则将它们进一步加载到韧皮部并转移到种子中；验证了两种不同类型转运蛋白共同维持细胞营养稳态的理论。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05969-x

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！