氨基酸如何在植物中运输

植物能够生产人类生命所需的所有氨基酸。这通常发生在特殊的细胞器——质体中。杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（HHU）领导的研究团队现已解析出植物在体内分配这些氨基酸的机制。在《自然植物》期刊上，研究人员描述了这一过程的机制以及所使用的转运蛋白种类。这些发现可能有助于培育必需氨基酸含量更高的作物，从而提高作物的营养品质。

　　

植物能够生产人类生命所需的所有氨基酸。这通常发生在特殊的细胞器——质体中。杜塞尔多夫海因里希·海涅大学（HHU）领导的研究团队现已揭示植物在体内分配这些氨基酸的机制。在《自然植物》期刊上，研究人员描述了这一机制以及用于这一过程的转运蛋白种类。这些发现可能有助于培育必需氨基酸含量更高的作物，从而提高作物的营养品质。

蛋白质——构成所有生物体的基本成分——是由许多所谓的氨基酸组成的大分子。人类可以自行合成其中一些氨基酸，但其他一些氨基酸——“必需氨基酸”——必须从食物中获取。植物能够自行合成所有20种“蛋白原”氨基酸（构成蛋白质的氨基酸），这使得植物成为人类膳食中理想的氨基酸来源。

然而，植物并非在所有部位都能产生氨基酸。其中九种分子，包括赖氨酸和精氨酸等重要的组成部分，仅在质体中产生。进行光合作用的“叶绿体”也是质体。迄今为止，人们尚不清楚氨基酸是如何从质体运输到植物其他部位的。

由胡斯-亨廷顿高等研究院植物生物化学研究所的 Andreas PM Weber 教授领导的研究小组，目前已将氨基酸通过叶绿体膜运输的功能归因于一类名为 RETICULATA1（简称 RE1）的运输蛋白。这使得氨基酸能够在植物体内进行交换。

这项研究的通讯作者韦伯教授（现已发表在《自然植物》杂志上）表示： “尽管已知该基因突变会导致模式植物拟南芥（ Arabidopsis thaliana）的叶片呈现出独特的形状，但几十年来，RE1 的分子功能一直是个谜。现在，我们证实 RE1 是一种专门转运碱性氨基酸（例如精氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸和赖氨酸）的蛋白。”

缺乏 RE1 的植物不仅具有特征性的“网状”叶形，而且其叶片和叶绿体中也只含有少量的碱性氨基酸。主要作者 Franziska Kuhnert 博士表示：“这表明植物体内的氨基酸分布被破坏了。RE1 及其近亲 RER1（RETICULATA-RELATED1）的完全缺失甚至会对植物造成致命影响，这凸显了这些蛋白质的重要作用。”

研究小组还证明，RE1 的缺失会降低碱性氨基酸的生物合成，并损害质体和细胞溶胶（细胞内的液体）之间的氨基酸池平衡。

Kuhnert：“RE1 及其相关蛋白质仅存在于含有质体的生物体中。由于所有植物和光合藻类都含有 RE 蛋白，因此这些蛋白质在进化史上必定历史悠久，起源于质体通过“内共生”（即将之前独立的细胞吸收到其他细胞中）形成的时代。RE1 可能对植物的这一进化发展做出了重要贡献。”

“我们的研究结果为理解氨基酸向质体运输与叶片发育以及植物体内营养分布之间的复杂联系提供了至关重要的见解，”韦伯总结道，并补充道：“这一发现为植物育种开辟了新的视角，使我们能够培育出必需氨基酸含量更高的作物。这有助于保障全球粮食安全。”

这项研究工作在洪堡大学（HHU）CEPLAS卓越集群及合作研究中心CRC1208/2和1535/1的框架下开展。所有项目均获得德国研究基金会（DFG）的资助。此外，共同作者Peter K. Lundquist博士获得了亚历山大·冯·洪堡博士后奖学金。