作者：劉維剛 姜紅 曾凡逵（中國科學院蘭州化學物理研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。
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在生物體內，細胞是生命活動的基本單位。細胞如同一個個精密運轉的微型工廠，它們的正常運轉離不開源源不斷的能量供應。而糖類，恰似為這些微型工廠提供動力的“燃料”，精準且持續(xù)地為植物生長發(fā)育的每一個精細環(huán)節(jié)注入蓬勃動力。
那么，這些“燃料”是如何精準無誤地抵達細胞的呢？這就不得不提到植物體內一群神奇的“糖轉運蛋白”分子家族，它們是糖分運輸的載體，負責不同類型的糖轉運，在植物生長發(fā)育過程中扮演著至關重要的角色。
深入了解糖轉運蛋白，不僅能讓我們揭開植物生長的奧秘，還對提高作物產量有著深遠的意義。
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植物體內的“糖分快遞員”
想象一下，植物就像是一個個忙碌的工廠，葉子則是“綠色車間”，通過光合作用將二氧化碳和水制造成糖，而根、種子等其他器官/組織則是需要這些糖的“客戶”。一部分糖被消耗，用于維持植物自身的生長和代謝，另一部分則被貯存在“客戶”手中，形成“能量儲存庫”。
植物體內的“糖分快遞員”——糖轉運蛋白
（圖片來源：AI輔助生成）
糖轉運蛋白如同工廠里訓練有素、行動敏捷的專業(yè)快遞員，它們負責有條不紊地把糖安全、高效地送到植物的“需求部門”。以此來源源不斷地為植物提供能量和物質，植物才能茁壯成長。糖貫穿了植物生命的每一個階段，從種子萌發(fā)到開花結果，都離不開糖的支持。在種子發(fā)育過程中，糖被轉化為淀粉等儲存物質，為下一代的生命旅程儲備能量。在果實的孕育過程中，糖的積累也使得果實更加飽滿。
植物的光合作用
（圖片來源：AI輔助生成）
通俗來說，這些“快遞員”有三種類型：糖最終輸出轉運蛋白（SWEETs）、蔗糖轉運蛋白（SUTs/SUCs）和單糖轉運蛋白（MSTs）。當糖類分子在細胞外或者細胞內的某個部位靠近糖轉運蛋白時，轉運蛋白上的“貨物卡槽”會精準識別并結合特定的糖類分子。因此，糖轉運蛋白的“業(yè)務專長”和“裝備配置”不同，工作模式不同，功能各異。
糖最終輸出轉運蛋白就像是專門負責特殊任務的快遞員，它們擁有獨特的結構，恰似精心設計的“分子通道”，鑲嵌在植物細胞的細胞膜上。它們積極參與植物應對干旱、高溫、低溫等極端環(huán)境，確保植物在發(fā)育過程中獲得足夠的能量，并在面對病原體的侵染時激活自身的防御反應。
蔗糖轉運蛋白宛如植物體內高效運作的“蔗糖專線”快遞員，一端緊連光合作用的“生產車間”葉片，當葉片合成蔗糖后，它便迅速“接單”，以極高的效率和精準度，將蔗糖穩(wěn)穩(wěn)地裝載在其獨特的“運輸載體”上，沿著植物體內復雜的“物流網絡”，日夜兼程地駛向植物的各個“需求站點”。
而單糖轉運蛋白猶如植物機體中專注的“單糖速達”快遞員，在復雜的植物組織網絡中細胞的“大街小巷”中快速穿梭，把單糖高效傳遞給每個需要能量的細胞“住戶”，滿足植物的各種需求。這些轉運蛋白各自具有獨特的功能，共同參與了植物體內糖分的運輸和分配。
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不僅是“快遞員”，它們還是讓作物增產的“法寶”
這些神奇的糖轉運蛋白，可不只是簡單的“快遞員”，它們靈活多變，精準洞悉植物在生長各階段的需求變化，可根據植物的需要，靈活調整糖的運輸速度和方向。因此，作物得以充分攝取糖分，根系變得發(fā)達，枝干粗壯，葉片翠綠，光合作用效率提高，生長態(tài)勢顯著改善。最終，作物不僅長得更健壯，產量也大幅提升。糖轉運蛋白提高作物產量的方法主要有以下三種：
1. 與共生微生物合作；
首先，增強糖轉運蛋白與共生微生物的相互作用是提高作物產量的重要策略之一?；セ菸⑸锿鹑缫蝗何⑿s神通廣大的“精靈”，與植物締結了緊密且精妙的共生契約。互惠微生物可以為植物提供更多的營養(yǎng)物質如氮、磷、鉀；植物則為微生物提供更多的糖分，二者互利共贏。糖轉運蛋白就像互惠微生物的“補給車”，負責它的能量補給。通過這一策略，可以幫助植物更好地吸收土壤中的養(yǎng)分，比如磷和氮。這就像給植物吃了“營養(yǎng)補品”，讓它們長得更壯實。
（圖片來源：研究團隊供圖）
2. 優(yōu)化光合作用；
其次，光合作用是影響植物生長發(fā)育的重要因素。光合作用是糖轉運蛋白的“任務發(fā)布者”，其產生的能量需求信息就像下達的指令，糖轉運蛋白如同繁忙港口的智能裝卸設備，能夠迅速且精確地將“貨物”（糖分）卸載并轉運至目的地，加速糖分的運輸調配，以滿足植物生長各環(huán)節(jié)的能量需求。通過建立光合作用與糖轉運蛋白之間的動態(tài)調控模型，優(yōu)化了植物對光能的利用及糖分的分配，這就需要“招募”更多的糖轉運蛋白快遞員投入工作，加快糖類的運輸速度，讓其光合作用的能量轉化成果快速在體內流通。
（圖片來源：研究團隊供圖）
3. 遺傳策略；
此外，基因編輯等手段也是提高作物產量的重要手段?；蚓庉嬀拖裆衿娴摹吧中g刀”與“遺傳畫筆”，將具有特殊功能的基因片段巧妙地融入到作物原本的糖轉運蛋白基因藍圖之中，使作物的生長密碼得以優(yōu)化升級，讓它們的產量潛力得到充分發(fā)揮。這就恰似給大力士提供了更多的“能量飲料”，它們會變得更有力量和活力，可以幫助作物吸收更多的養(yǎng)分，從而加快作物物的生長速度和發(fā)育進程。
（圖片來源：研究團隊供圖）
提高作物產量的策略
（圖片來源：研究團隊提供）
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植物應對逆境的“守護者”
植物的生長之路并非總是一帆風順，往往會面臨干旱、鹽漬、低溫等諸多極為嚴苛的逆境條件，給植物的正常生長發(fā)育帶來巨大的挑戰(zhàn)。這時，糖轉運蛋白會通過調節(jié)體內糖的代謝和分布來適應環(huán)境，它們，就像那些勇敢的“守護者”，筑起一道堅不可摧的銅墻鐵壁，精準且高效地調控著糖分的的輸出和積累，將細胞內合成的糖分有序地運輸到各個關鍵部位，平衡細胞內外的滲透壓，從而保護細胞膜的穩(wěn)定性和完整性，幫助植物度過難關。
比如，在干旱脅迫條件下，某些特殊的糖轉運蛋白就像給植物打造了一個“儲水護盾”，通過加速糖分積累，提升細胞液濃度，增強植物對水分的吸附能力，減少水分流失。在鹽堿脅迫條件下，特定的糖轉運蛋白如同給植物穿上了一套“隔離防護服”，通過調節(jié)糖分在細胞內外的分布，阻擋過多的鹽分進入細胞，降低鹽分對細胞的毒害。
而在高溫脅迫環(huán)境中，這類糖轉運蛋白又像給植物安裝了一臺“降溫風扇”，通過調控糖分運輸，促使植物啟動特定的生理機制，調節(jié)體溫，避免因高溫而“中暑”。在低溫環(huán)境中，植物細胞內的糖含量會增加，就像給細胞穿上了一件“保暖衣”，降低細胞液的冰點，防止細胞被凍傷。因此，糖轉運蛋白保證了植物細胞內那些維持生命的化學反應得以在逆境中持續(xù)地運轉，讓植物在惡劣的環(huán)境中也能保持良好的生長節(jié)奏。
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植物體內的智能“調節(jié)器”
糖轉運蛋白也受到多種因素調控，以確保植物體內糖類運輸的高效與精準。各信號轉導途徑精密調控著糖轉運蛋白的功能，就像是糖轉運蛋白組成物流網絡的“遙控器”，負責糖轉運蛋白的調度，而糖轉運蛋白在植物體內就像智能“調節(jié)器”，從植物種子萌發(fā)的那一刻起，一直到植物完成整個生命周期，它都在默默地發(fā)揮著調節(jié)作用，將不同的糖類運往植物的各個需求部位，確保植物能夠高效地利用糖類資源，保證生命活動的正常運轉。對植物的生長、發(fā)育過程進行著全方位的調控，為植物的生命活動保駕護航。
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未來可期
糖轉運蛋白作為植物生長過程中的“甜蜜使者”，在植物的生命活動中扮演著重要角色。目前，我們對植物糖轉運蛋白的認識還只是冰山一角。展望未來，隨著基因測序和基因編輯技術的發(fā)展，將會源源不斷地誕生更多有關糖轉運蛋白的新發(fā)現(xiàn)與新成果，呈現(xiàn)出多維度的發(fā)展趨勢。這些新發(fā)現(xiàn)與新成果不僅會進一步拓寬我們對糖轉運蛋白作用的奧秘，更有望引領我們開創(chuàng)更多突破性的“甜蜜”方案，為培育適應極端環(huán)境的作物品種、增強農作物的綜合抗逆能力以及推動農業(yè)的高效穩(wěn)定發(fā)展提供更為堅實的理論指引和技術支撐。