Раскрыт механизм избирательного транспорта сахара и гормона, лежащий в основе мужской фертильности растений
Исследователи из Университета Нагои (Япония) обнаружили механизм избирательного транспорта сахара и гормонов в растениях. Результаты также прояснили, что транспорт сахара необходим для мужской фертильности растений, то есть для производства пыльцы. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Транспортеры — это белки, существующие на клеточных мембранах. Каждый транспортер связывается с субстратом и переносит его через мембрану. Некоторые переносят питательные вещества, другие — молекулы, например, для межклеточной коммуникации. Один из классов транспортеров, встречающийся как у растений, так и у животных — Sugars Will Eventually Be Exported Transporter (SWEET). SWEET распределяет сахар, например, сахарозу, в растениях. Связываясь с сахарозой, он перемещает её по растению, обеспечивая питание и рост. Сахароза, переносимая транспортером, называется субстратом.
Важно, что у SWEET может быть более одного субстрата. Например, некоторые типы SWEET у растения Arabidopsis также транспортируют гормон гиббереллин (GA), контролирующий рост и размножение. Эти типы SWEET способны транспортировать и сахарозу, и GA, но физиологическая значимость каждой из этих активностей была неясна. Оба вещества необходимы для роста и развития растения и имеют уникальную структуру.
«Было непонятно, как SWEET может связываться с двумя такими разными структурами и как он выбирает, транспортировать сахарозу или GA», — отметил доктор Масаёси Накамура.
Кроме того, мутации в некоторых типах SWEET приводят к мужской стерильности растения, то есть к неспособности производить пыльцу. Однако причины этой стерильности были неясны: она могла быть вызвана нарушением транспорта сахарозы, GA или обоих веществ. Чтобы исследовать эти вопросы, команда под руководством доктора Накамуры объединила молекулярно-динамическое моделирование с классическими генетическими методами. В экспериментах они сфокусировались на типе SWEET под названием SWEET13, который, как известно, транспортирует и сахарозу, и GA, а также необходим для мужской фертильности.
Чтобы понять, как сахароза и GA связываются с SWEET13 и транспортируются им, исследователи сначала провели молекулярно-динамическое моделирование. Эта техника смоделировала «стыковку» SWEET13 с сахарозой и с GA на основе их структур. С помощью этих вычислительных симуляций учёные предсказали аминокислоты в SWEET13, которые распознают сахарозу и GA.
Затем, используя клеточные культуры, они подтвердили, необходимы ли эти аминокислоты для транспортной активности SWEET13. Оказалось, что определённый сайт SWEET13 с аминокислотой аспарагин важен для транспорта сахарозы, а сайт с серином — для транспорта GA.
Далее, чтобы выяснить причину мужской стерильности, исследователи заменили одну из этих аминокислот, создав варианты SWEET, которые транспортируют только сахарозу или только GA. Растения с вариантом, транспортирующим только сахарозу, производили пыльцу. Однако растения с вариантом, транспортирующим только GA, пыльцу не производили. Эти результаты означают, что для производства пыльцы необходим именно транспорт сахарозы, а не GA, осуществляемый SWEET.
«Комбинируя молекулярный докинг, молекулярно-динамическое моделирование и генетические методы, мы успешно раздельно проверили селективность к субстратам [сахарозе и GA]», — сказал доктор Накамура. Он добавил, что существуют и другие транспортеры, переносящие несколько разных субстратов, и разработанные методики могут быть применены для их изучения.
Более глубокое понимание транспорта сахара и гормонов в растениях может привести к созданию более эффективных и устойчивых сельскохозяйственных методов.