质体糖转运蛋白pGlcT介导核苷酸分解代谢中核糖回收及淀粉降解中葡萄糖输出的机制研究

《Nature Communications》：A plastid carbohydrate carrier mediates ribose recycling from nucleotide catabolism and glucose export from starch degradation

本研究鉴定出拟南芥和菜豆质体膜糖转运蛋白pGlcT能够介导核苷酸分解产生的核糖从胞质进入质体进行磷酸化回收，同时参与淀粉降解产物葡萄糖的输出和果糖的胞质-质体交换。研究人员通过代谢分析、细菌互补实验和基因编辑技术证实pGlcT是核糖回收的关键载体，对豆科植物根瘤中尿囊素合成和氮输出至关重要，解决了长期以来植物质体核糖转运蛋白分子身份不明的科学问题。

　　

在植物生命活动中，养分的循环利用是维持高效代谢的关键。特别是在豆科植物的根瘤中，共生固氮过程需要大量的嘌呤核苷酸合成，而这些核苷酸随后会部分降解为尿囊素和尿囊酸，作为氮的长距离运输载体。在这个过程中，核苷酸降解会释放出核糖，但植物细胞质中缺乏代谢核糖的能力，核糖必须进入质体才能被核糖激酶(RBSK)磷酸化为核糖-5-磷酸，进而重新用于核苷酸合成或其他代谢途径。然而，数十年来，负责将核糖从胞质转运至质体的载体分子身份一直是个未解之谜。

这项发表在《Nature Communications》上的研究首次鉴定出质体葡萄糖转运蛋白pGlcT实际上是一个多功能的单糖转运体，不仅介导葡萄糖从质体输出，还负责核糖的输入和果糖的胞质-质体交换，解决了植物代谢领域中这一长期悬而未决的问题。

研究人员主要运用了代谢组学分析、细菌糖转运缺陷株互补系统、CRISPR/Cas9基因编辑技术、启动子活性分析和共聚焦显微镜定位等技术方法。其中豆科植物根瘤样本通过发根农杆菌介导的毛根转化系统获得。

鉴定质体核糖转运蛋白候选因子

研究人员利用豆科植物根瘤这一核苷酸代谢特别活跃的生物学背景，通过比较转录组分析发现，菜豆和大豆根瘤中质体葡萄糖转运蛋白pGlcT的表达显著诱导，而其他豆科植物中无此现象。生物信息学分析显示pGlcT含有质体转运肽，使其成为最有可能的质体核糖转运蛋白候选因子。

拟南芥pGlcT介导体内胞质至质体的核糖转运

通过分析拟南芥pGlcT T-DNA插入突变体，研究人员发现突变体中核糖含量显著升高，而这一表型可通过回补pGlcT基因得到恢复。尿苷饲喂实验进一步证实，在pglct突变体中，胞质中尿苷水解产生的核糖无法有效进入质体，导致核糖积累。这些结果证明pGlcT是核糖从胞质进入质体所必需的。

pglct幼苗中核糖、果糖和葡萄糖稳态失调

对拟南芥幼苗的代谢物时序分析显示，pglct突变体中核糖含量持续较高，果糖含量在几乎所有时间点都显著升高，而葡萄糖仅在夜间积累。这一发现表明pGlcT参与单糖在质体膜上的交换，其缺失会导致单糖稳态紊乱。

pGlcT支持核糖摄取缺陷型E.coli的生长

为直接验证pGlcT的核糖转运功能，研究人员构建了核糖摄取缺陷的大肠杆菌三重突变体，并表达pGlcT进行功能回补。结果表明，表达pGlcT的菌株能够以核糖为唯一碳源生长，而对照菌株生长严重受限，直接证明pGlcT具有核糖转运活性。

pGlcT转运核糖、葡萄糖和果糖

放射性同位素摄取实验显示，pGlcT能够以米氏常数(K_M)约为1.22 mM的亲和力转运核糖，且该转运活动在pH 6-8范围内最活跃，峰值在pH 7，表明其不依赖pH梯度。竞争性抑制实验进一步证实葡萄糖和果糖也是pGlcT的底物。

mex1拟南芥植物的生长受阻因pGlcT额外突变而加剧

遗传学分析表明，pglct mex1双突变体的生长缺陷比mex1单突变体更严重，而pglct2 mex1的表型与mex1相似，说明pGlcT而非pGlcT2是淀粉降解中葡萄糖输出的主要载体，且两者功能不冗余。

研究结论表明，pGlcT是质体内膜上的多功能单糖转运蛋白，介导三个生理学上重要的转运过程：核苷酸分解代谢中核糖的输入、淀粉降解中葡萄糖的输出以及胞质与质体间的果糖交换。这一发现不仅解决了长期悬而未决的质体核糖转运蛋白分子身份问题，而且揭示了植物碳氮代谢协调调控的新机制。

特别值得注意的是，pGlcT在不同生理背景下介导方向相反的糖转运：在核苷酸分解时输入核糖，在淀粉降解时输出葡萄糖。这种双向转运功能使其成为植物碳氮代谢平衡的关键调节因子。在豆科植物根瘤这一特殊生物学背景下，pGlcT介导的核糖回收对尿囊素合成和固氮产物的运输至关重要，直接影响了植物的氮利用效率。

该研究首次在分子水平上阐明了质体核糖转运的机制，揭示了pGlcT在植物碳氮代谢中的核心作用，为改善作物养分利用效率提供了新的理论依据和潜在的靶点。