Enträtseln des selektiven Transports von Zucker und einem Hormon, das der männlichen Fruchtbarkeit in Pflanzen zugrunde liegt

Forscher der Universität Nagoya, Japan, haben einen Mechanismus für den selektiven Transport von Zucker und Hormonen in Pflanzen entdeckt. Die Ergebnisse verdeutlichen auch, dass der Zuckertransport für die männliche Fruchtbarkeit in Pflanzen, also die Pollenproduktion, notwendig ist. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Transporter sind Proteine, die auf Zellmembranen existieren. Jeder Transporter bindet an ein Substrat und transportiert es über die Zellmembran. Einige Transporter transportieren Nährstoffe, während andere Moleküle transportieren, die beispielsweise Zellen helfen, miteinander zu kommunizieren. Eine Klasse von Transportern, die sowohl in Pflanzen als auch in Tieren zu finden ist, ist der Zucker-Transporter (SWEET). SWEET verteilt Zucker wie Saccharose in Pflanzen. Sobald das SWEET an Saccharose bindet, bewegt es sich über die Pflanze und verteilt es, damit die Pflanze Nährstoffe erhalten und wachsen kann. Als Substrat wird hier Saccharose bezeichnet, die vom Transporter transportiert wird.

Wichtig ist, dass SWEET mehr als ein Substrat hat. Beispielsweise transportieren einige Arten von SWEET in Arabidopsis-Pflanzen auch ein Hormon namens Gibberellin (GA), das das Pflanzenwachstum und die Fortpflanzung steuert. Diese SWEET-Typen haben die Fähigkeit, Saccharose und GA zu transportieren, aber die physiologische Relevanz ihrer jeweiligen Transportaktivitäten ist nicht verstanden. Sowohl Saccharose als auch GA sind für Pflanzenwachstum und -entwicklung unerlässlich und haben jeweils eine einzigartige Struktur.

„Wie SWEET an diese beiden unterschiedlichen Strukturen binden kann und wie SWEET den Transport von Saccharose oder GA auswählt, war nicht klar“, sagte Dr. Masayoshi Nakamura, designierter außerordentlicher Professor am Institut für transformative Biomoleküle (WPI-ITbM). an der Nagoya-Universität.

Wenn einige Arten von SWEET in Pflanzen mutiert werden, wird die Pflanze außerdem männlich steril, was bedeutet, dass sie keinen Pollen produzieren kann. Die Gründe für diese Sterilität waren jedoch unklar. Dies kann auf einen Mangel an Saccharosetransport, einen Mangel an GA-Transport oder beides zurückzuführen sein. Um diese Fragen zu untersuchen, kombinierte ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Nakamura molekulardynamische Simulationen mit klassischen genetischen Methoden. In ihren Experimenten konzentrierten sie sich auf eine Art von SWEET namens SWEET13, von der bekannt ist, dass sie sowohl Saccharose als auch GA transportiert und auch für die männliche Fruchtbarkeit notwendig ist.

Um zu verstehen, wie Saccharose und GA an SWEET binden und von diesem transportiert werden, führten sie zunächst eine Technik namens molekulardynamische Simulation durch. Diese Technik simulierte ein Andocken zwischen SWEET13 und Saccharose und ein Andocken zwischen SWEET13 und GA, basierend auf ihren Strukturen. Mithilfe dieser Computersimulationen sagten die Forscher Aminosäuren in SWEET13 voraus, die Saccharose und GA erkennen.

Anschließend bestätigten sie anhand von Zellkulturen, ob diese Aminosäuren für die Saccharose- und GA-Transportaktivitäten von SWEET13 notwendig sind. Eine bestimmte Stelle von SWEET13 mit einer Aminosäure namens Asparagin und Serin war für Saccharose- bzw. GA-Transportaktivitäten wichtig.

Um zu klären, wie die männliche Sterilität zustande kam, ersetzten die Forscher als Nächstes eine der oben genannten Aminosäuren und erzeugten SWEET, das nur Saccharose transportiert, und SWEET, das nur GA transportiert. Bei SWEET, das nur Saccharose, aber kein GA transportiert, produziert die Pflanze Pollen. Bei SWEET, das nur GA, aber keine Saccharose transportiert, konnte die Pflanze keine Pollen produzieren. Diese Ergebnisse bedeuten, dass SWEETs Transport von Saccharose, nicht GA, für die Pollenproduktion notwendig ist.

„Durch die Kombination von molekularem Docking, molekulardynamischer Simulation und genetischen Methoden haben wir die Selektivität von Substraten erfolgreich getestet [i.e., sucrose and GA] getrennt“, sagte Dr. Nakamura. Außerdem gibt es neben SWEET noch andere Transporter, die mehrere unterschiedliche Substrate transportieren. „Unsere Methoden können andere Transporter und Substrate untersuchen, und das würde die Erforschung von Transportern voranbringen“, sagte er.

Ein besseres Verständnis des Zucker- und Hormontransports in Pflanzen könnte zu verbesserten landwirtschaftlichen Methoden führen, die effizienter und nachhaltiger sind als die derzeitigen Praktiken.