„Expresslieferung“, „Zusammenarbeit verhandeln“, „Makrokontrolle“, sie sind die besten Mitarbeiter für Fabriken!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Liu Weigang, Jiang Hong, Zeng Fankui (Lanzhou Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

In lebenden Organismen sind Zellen die Grundeinheiten der Lebensaktivitäten. Zellen sind wie präzise arbeitende Miniaturfabriken und ihr normaler Betrieb hängt von einer kontinuierlichen Energieversorgung ab. Zucker ist wie der „Treibstoff“, der diese Mikrofabriken antreibt und präzise und kontinuierlich jedem empfindlichen Glied des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung kraftvolle Energie zuführt.

Wie gelangen diese „Treibstoffe“ also präzise und zielgenau zu den Zellen? Dies bringt uns zu einer Familie magischer „Zuckertransporter“-Moleküle in Pflanzen . Sie sind Träger des Zuckertransports, verantwortlich für den Transport verschiedener Zuckerarten und spielen eine entscheidende Rolle für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen.

Ein tieferes Verständnis der Zuckertransporter wird es uns nicht nur ermöglichen, die Geheimnisse des Pflanzenwachstums zu lüften, sondern auch weitreichende Auswirkungen auf die Verbesserung der Ernteerträge haben.

Der „Zuckerkurier“ in Pflanzen

Stellen Sie sich vor, Anlagen seien wie geschäftige Fabriken. Die Blätter sind die „grünen Werkstätten“, die durch Photosynthese Kohlendioxid und Wasser in Zucker umwandeln, während andere Organe/Gewebe wie Wurzeln und Samen die „Kunden“ sind, die diesen Zucker benötigen. Ein Teil des Zuckers wird verbraucht, um das Wachstum und den Stoffwechsel der Pflanze aufrechtzuerhalten, und der andere Teil wird in den Händen des „Kunden“ gespeichert, um ein „Energiespeicherdepot“ zu bilden.

Zuckertransporter in Pflanzen

(Bildquelle: KI-gestützte Generierung)

Zuckertransporteure sind wie gut ausgebildete, wendige und professionelle Kuriere in einer Fabrik . Sie sind dafür verantwortlich, den Zucker sicher, effizient und geordnet an die „Nachfrageabteilung“ des Werks zu liefern. Dadurch werden die Pflanzen kontinuierlich mit Energie und Nährstoffen versorgt und gedeihen gut. Zucker durchläuft alle Stadien des Pflanzenlebens, von der Samenkeimung bis zur Blüte und Fruchtbildung, und all dies kann nicht ohne die Unterstützung durch Zucker geschehen. Während der Samenentwicklung werden Zucker in Speicherstoffe wie Stärke umgewandelt, die Energie für den Lebensweg der nächsten Generation reservieren. Während des Reifeprozesses der Frucht wird durch die Ansammlung von Zucker die Frucht auch fülliger.

Photosynthese bei Pflanzen

(Bildquelle: KI-gestützte Generierung)

Einfach ausgedrückt gibt es drei Arten dieser „Kuriere“: Transporter für den Zucker-Endexport (SWEETs), Saccharosetransporter (SUTs/SUCs) und Monosaccharidtransporter (MSTs) . Wenn sich ein Zuckermolekül einem Zuckertransporter außerhalb oder irgendwo innerhalb der Zelle nähert, erkennt der „Frachtschlitz“ am Transporterprotein das spezifische Zuckermolekül genau und bindet daran. Daher verfügen Zuckertransporter über unterschiedliche „Geschäftskenntnisse“ und „Gerätekonfigurationen“, unterschiedliche Arbeitsmodi und unterschiedliche Funktionen.

Die Transporter für den Zuckerendexport sind wie Kuriere für besondere Aufgaben zuständig. Sie haben eine einzigartige Struktur, genau wie ein sorgfältig entworfener „molekularer Kanal“, der in die Zellmembran von Pflanzenzellen eingebettet ist. Sie sind aktiv an der Reaktion der Pflanzen auf extreme Umweltbedingungen wie Dürre, hohe und niedrige Temperaturen beteiligt, stellen sicher, dass die Pflanzen während ihrer Entwicklung ausreichend Energie erhalten und aktivieren ihre eigenen Abwehrreaktionen bei Infektionen mit Krankheitserregern.

Der Saccharosetransporter ist wie ein effizienter „Saccharose-Spezialleitungs“-Kurier im Pflanzenkörper, dessen eines Ende eng mit den Blättern, der „Produktionswerkstatt“ der Photosynthese, verbunden ist. Wenn die Blätter Saccharose synthetisieren, nehmen sie den Auftrag schnell entgegen und laden die Saccharose gleichmäßig und mit extrem hoher Effizienz und Genauigkeit auf ihren einzigartigen „Transportträger“. Es ist Tag und Nacht im komplexen „Logistiknetz“ des Werks unterwegs und erreicht die verschiedenen „Bedarfsorte“ des Werks.

Monosaccharidtransporter sind wie spezielle „Monosaccharid-Express“-Kurierdienste im Pflanzenkörper. Sie pendeln schnell durch die „Straßen und Gassen“ der Zellen im komplexen Pflanzengewebenetzwerk und liefern effizient Monosaccharide an jeden „Bewohner“, der Energie benötigt, und erfüllen so die verschiedenen Bedürfnisse der Pflanze. Diese Transporter haben jeweils einzigartige Funktionen und sind gemeinsam am Transport und der Verteilung von Zuckern in Pflanzen beteiligt.

Sie sind nicht nur „Kurier“, sondern auch eine „Wunderwaffe“ zur Steigerung der Ernteerträge

Diese magischen Zuckertransporter sind nicht nur einfache „Kurierfahrer“. Sie sind flexibel und wandelbar und können die wechselnden Bedürfnisse von Pflanzen in verschiedenen Wachstumsstadien genau verstehen. Sie können Geschwindigkeit und Richtung des Zuckertransports flexibel an den Bedarf der Pflanzen anpassen . Dadurch können die Pflanzen den Zucker vollständig aufnehmen, ihr Wurzelsystem entwickelt sich gut, ihre Zweige werden dick, ihre Blätter werden grün, ihre Photosyntheseeffizienz steigt und ihr Wachstumstrend verbessert sich deutlich. Am Ende wuchsen die Pflanzen nicht nur kräftiger, sondern brachten auch deutlich höhere Erträge. Zuckertransporter können die Ernteerträge auf drei Arten steigern:

1. Zusammenarbeit mit symbiotischen Mikroorganismen;

Erstens ist die Verbesserung der Interaktion zwischen Zuckertransportern und symbiotischen Mikroorganismen eine der wichtigsten Strategien zur Verbesserung der Ernteerträge . Mutualistische Mikroorganismen sind wie eine Gruppe winziger, aber mächtiger „Elfen“, die einen engen und empfindlichen symbiotischen Vertrag mit Pflanzen geschlossen haben. Mutualistische Mikroorganismen können Pflanzen mit mehr Nährstoffen wie Stickstoff, Phosphor und Kalium versorgen. Pflanzen können Mikroorganismen mit mehr Zucker versorgen und beide profitieren voneinander. Zuckertransporter fungieren als „Versorgungs-LKW“ für mutualistische Mikroorganismen und sind für deren Energieversorgung verantwortlich. Diese Strategie hilft Pflanzen, Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff besser aus dem Boden aufzunehmen. Es ist, als würde man Pflanzen „Nahrungsergänzungsmittel“ geben, damit sie stärker wachsen.

(Bildquelle: bereitgestellt vom Forschungsteam)

2. Optimieren Sie die Photosynthese;

Zweitens ist die Photosynthese ein wichtiger Faktor, der das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen beeinflusst. Die Photosynthese ist der „Aufgabengeber“ der Zuckertransporter. Die von ihm generierten Informationen zum Energiebedarf sind wie eine Anweisung. Zuckertransporter sind wie intelligente Lade- und Entladegeräte in einem geschäftigen Hafen. Sie können die „Fracht“ (Zucker) schnell und präzise entladen und zum Bestimmungsort transportieren, wodurch der Transport und die Zuteilung des Zuckers beschleunigt werden, um den Energiebedarf aller Aspekte des Pflanzenwachstums zu decken. Durch die Etablierung eines dynamischen Regulierungsmodells zwischen Photosynthese und Zuckertransportern werden die Nutzung der Lichtenergie und die Verteilung der Zucker durch die Pflanze optimiert . Dazu müssen mehr Zuckertransporter-Kuriere „rekrutiert“ werden, um den Zuckertransport zu beschleunigen und eine schnelle Zirkulation der Energieumwandlungsergebnisse der Photosynthese im Körper zu ermöglichen.

(Bildquelle: bereitgestellt vom Forschungsteam)

3. Genetische Strategie;

Darüber hinaus sind auch die Genomeditierung und andere Methoden wichtige Mittel zur Steigerung der Ernteerträge. Die Genomeditierung ist wie ein magisches „Skalpell des Lebens“ und eine „genetische Bürste“, die Genfragmente mit speziellen Funktionen geschickt in den ursprünglichen Zuckertransporter-Genbauplan von Nutzpflanzen integriert, den Wachstumscode von Nutzpflanzen optimiert und verbessert und ihr Ertragspotenzial voll ausschöpft. Dies ist so, als würde man einem Kraftprotz mehr „Energydrinks“ geben. Er wird dadurch leistungsfähiger und energiegeladener und kann den Pflanzen dabei helfen, mehr Nährstoffe aufzunehmen, wodurch der Wachstums- und Entwicklungsprozess der Pflanzen beschleunigt wird.

(Bildquelle: bereitgestellt vom Forschungsteam)

Strategien zur Steigerung der Ernteerträge

(Bildquelle: bereitgestellt vom Forschungsteam)

Pflanzen sind die "Wächter" der Widrigkeiten

Der Wachstumsverlauf von Pflanzen verläuft nicht immer reibungslos. Sie sind häufig extrem harten Bedingungen wie Dürre, Salzgehalt und niedrigen Temperaturen ausgesetzt, die das normale Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen enorm beeinträchtigen. Zu diesem Zeitpunkt passen sich die Zuckertransporter an die Umgebung an, indem sie den Stoffwechsel und die Verteilung des Zuckers im Körper regulieren. Sie sind wie mutige „Wächter“, die eine unzerstörbare Stahlmauer bilden, die die Produktion und Ansammlung von Zucker präzise und effizient regulieren und die in den Zellen synthetisierten Zucker ordnungsgemäß zu verschiedenen Schlüsselstellen transportieren, den osmotischen Druck innerhalb und außerhalb der Zellen ausgleichen und so die Stabilität und Integrität der Zellmembran schützen und Pflanzen helfen, Schwierigkeiten zu überwinden.

Unter Trockenstressbedingungen beispielsweise wirken bestimmte spezielle Zuckertransportproteine ​​wie ein „Wasserspeicherschild“ für Pflanzen , sie beschleunigen die Zuckeransammlung, erhöhen die Zellsaftkonzentration, verbessern die Fähigkeit der Pflanze, Wasser aufzunehmen und verringern den Wasserverlust. Unter salzhaltigen und alkalischen Stressbedingungen wirken spezifische Zuckertransporter wie eine Art „Isolationsschutzkleidung“ für Pflanzen. Indem sie die Zuckerverteilung innerhalb und außerhalb der Zellen regulieren, verhindern sie, dass zu viel Salz in die Zellen gelangt, und verringern die Toxizität des Salzes für die Zellen.

In einer Umgebung mit hohen Temperaturbelastungen ist diese Art von Zuckertransporter wie die Installation eines „Kühlventilators“ für die Pflanze . Durch die Regulierung des Zuckertransports veranlasst es die Pflanze, bestimmte physiologische Mechanismen zu aktivieren, die Körpertemperatur zu regulieren und einen „Hitzschlag“ aufgrund hoher Temperaturen zu vermeiden. In einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen steigt der Zuckergehalt in Pflanzenzellen an, als würde man die Zellen mit einem „warmen Mantel“ überziehen, wodurch der Gefrierpunkt der Zellflüssigkeit gesenkt und Erfrierungen der Zellen verhindert werden. Daher stellen Zuckertransporter sicher, dass die lebenserhaltenden chemischen Reaktionen in Pflanzenzellen auch unter widrigen Bedingungen weiterlaufen, sodass Pflanzen auch in rauen Umgebungen einen guten Wachstumsrhythmus aufrechterhalten können.

Intelligente „Regulatoren“ in Pflanzen

Um einen effizienten und genauen Zuckertransport in Pflanzen zu gewährleisten, werden auch Zuckertransporter durch mehrere Faktoren reguliert. Verschiedene Signalübertragungswege regulieren die Funktionen der Zuckertransporter präzise, ​​ähnlich wie die „Fernsteuerung“ des Logistiknetzwerks aus Zuckertransportern, die für die Disposition der Zuckertransporter zuständig ist. Zuckertransporter sind wie intelligente „Regulatoren“ in Pflanzen. Von der Keimung des Pflanzensamens bis zum Abschluss des Lebenszyklus der Pflanze übernimmt es im Hintergrund eine regulierende Funktion, indem es verschiedene Zucker zu den verschiedenen Teilen der Pflanze transportiert, wo sie benötigt werden. So wird sichergestellt, dass die Pflanze die Zuckerressourcen effizient nutzen und den normalen Ablauf der Lebensaktivitäten gewährleisten kann. Es reguliert den Wachstums- und Entwicklungsprozess von Pflanzen auf umfassende Weise und sichert die Lebensaktivitäten der Pflanzen.

Die Zukunft ist vielversprechend

Als „süße Botenstoffe“ im Pflanzenwachstumsprozess spielen Zuckertransporter eine wichtige Rolle im Lebensgeschehen der Pflanzen. Derzeit ist unser Wissen über pflanzliche Zuckertransporter nur die Spitze des Eisbergs. Mit Blick auf die Zukunft werden mit der Entwicklung der Gensequenzierungs- und Genomeditierungstechnologie weiterhin neue Entdeckungen und Ergebnisse über Zuckertransporter zutage treten, was auf einen mehrdimensionalen Entwicklungstrend hindeutet. Diese neuen Entdeckungen und Ergebnisse werden nicht nur unser Verständnis der Geheimnisse der Rolle der Zuckertransporter erweitern, sondern uns voraussichtlich auch zur Entwicklung weiterer bahnbrechender „süßer“ Lösungen führen, indem sie eine solidere theoretische Anleitung und technische Unterstützung für den Anbau von Nutzpflanzensorten bieten, die sich an extreme Umgebungen anpassen können, die Stressresistenz der Nutzpflanzen insgesamt verbessern und die effiziente und stabile Entwicklung der Landwirtschaft fördern.