Исследователи из Университета Нагоя, Япония, обнаружили механизм избирательной транспортировки сахара и гормонов в растениях. Результаты также поясняют, что транспортировка сахара необходима для мужской фертильности растений, что означает производство пыльцы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Транспортеры - это белки, которые находятся на клеточных мембранах. Каждый транспортер связывается с субстратом и переносит его через клеточную мембрану. Одни транспортеры переносят питательные вещества, другие - молекулы, которые, например, помогают клеткам общаться друг с другом. Одним из классов транспортеров, встречающихся как у растений, так и у животных, является транспортер сахара (Sugars Will Eventually Be Exported Transporter, SWEET). SWEET распределяет сахара, такие как сахароза, в растениях. Как только SWEET связывается с сахарозой, он перемещается по растению, распределяя ее так, чтобы растение могло получать питание и расти. Здесь сахароза, которую переносит транспортер, называется субстратом.

Важно отметить, что у SWEET есть более одного субстрата. Например, некоторые виды SWEET в растениях арабидопсиса также переносят гормон гиббереллин (GA), который контролирует рост и размножение растений. Эти типы SWEET обладают способностью переносить сахарозу и ГА, но физиологическая значимость их соответствующей транспортной активности не понятна. И сахароза, и ГА необходимы для роста и развития растений, и каждый из них имеет уникальную структуру.

"Как SWEET может связываться с обеими этими различными структурами, и как SWEET выбирает транспорт сахарозы или ГА, было неясно", - сказал доктор Масайоши Накамура, назначенный доцент Института трансформационных биомолекул (WPI-ITbM) при Университете Нагоя.

Более того, когда некоторые типы SWEET мутируют в растениях, растение становится мужским стерильным, то есть не может производить пыльцу. Однако причины такой стерильности были неясны. Она могла быть вызвана недостатком транспорта сахарозы, недостатком транспорта ГА или тем и другим. Чтобы изучить эти вопросы, исследовательская группа под руководством доктора Накамуры объединила молекулярно-динамическое моделирование с классической генетической методологией. В своих экспериментах они сосредоточились на типе SWEET под названием SWEET13, который, как известно, переносит и сахарозу, и ГА, а также необходим для мужской фертильности.

Чтобы понять, как сахароза и ГА связываются с SWEET и переносятся им, они сначала провели метод молекулярно-динамического моделирования. Этот метод моделировал стыковку между SWEET13 и сахарозой, а также стыковку между SWEET13 и ГА на основе их структур. Используя эти вычислительные моделирования, исследователи предсказали аминокислоты в SWEET13, которые распознают сахарозу и ГА.

Затем, используя клеточные культуры, они подтвердили, что эти аминокислоты необходимы для активности SWEET13 по переносу сахарозы и ГА. Определенный участок SWEET13 с аминокислотами аспарагином и серином оказался важным для активности переноса сахарозы и ГА соответственно.

Далее, чтобы выяснить, как происходит мужская стерильность, исследователи заменили одну из вышеупомянутых аминокислот, создав SWEET, переносящий только сахарозу, и SWEET, переносящий только ГА. При использовании SWEET, который переносит только сахарозу, но не GA, растение производило пыльцу. Однако при использовании SWEET, который переносит только GA, но не сахарозу, растение не производило пыльцы. Эти результаты означают, что SWEET переносит сахарозу, а не ГА, что необходимо для производства пыльцы.

"Объединив молекулярный докинг, моделирование молекулярной динамики и генетические методики, мы успешно протестировали селективность субстратов [т.е. сахарозы и ГА] по отдельности", - сказал доктор Накамура. Кроме того, существуют и другие транспортеры, помимо SWEET, которые переносят несколько различных субстратов. "Наша методология может изучать другие транспортеры и субстраты, и это будет способствовать развитию исследований в области транспортеров", - сказал он.

Более глубокое понимание транспорта сахара и гормонов в растениях может привести к улучшению методов ведения сельского хозяйства, которые будут более эффективными и устойчивыми, чем существующие методы".