編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)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(nèi)，細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本單位。細(xì)胞如同一個(gè)個(gè)精密運(yùn)轉(zhuǎn)的微型工廠，它們的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開源源不斷的能量供應(yīng)。而糖類，恰似為這些微型工廠提供動(dòng)力的“燃料”，精準(zhǔn)且持續(xù)地為植物生長(zhǎng)發(fā)育的每一個(gè)精細(xì)環(huán)節(jié)注入蓬勃?jiǎng)恿Α?/span>

那么，這些“燃料”是如何精準(zhǔn)無誤地抵達(dá)細(xì)胞的呢？這就不得不提到植物體內(nèi)一群神奇的“糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白”分子家族，它們是糖分運(yùn)輸?shù)妮d體，負(fù)責(zé)不同類型的糖轉(zhuǎn)運(yùn)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演著至關(guān)重要的角色。

深入了解糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，不僅能讓我們揭開植物生長(zhǎng)的奧秘，還對(duì)提高作物產(chǎn)量有著深遠(yuǎn)的意義。

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植物體內(nèi)的“糖分快遞員”

想象一下，植物就像是一個(gè)個(gè)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(zhǎng)和代謝，另一部分則被貯存在“客戶”手中，形成“能量?jī)?chǔ)存庫”。

植物體內(nèi)的“糖分快遞員”——糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

（圖片來源：AI輔助生成）

糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如同工廠里訓(xùn)練有素、行動(dòng)敏捷的專業(yè)快遞員，它們負(fù)責(zé)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(zhì)，植物才能茁壯成長(zhǎng)。糖貫穿了植物生命的每一個(gè)階段，從種子萌發(fā)到開花結(jié)果，都離不開糖的支持。在種子發(fā)育過程中，糖被轉(zhuǎn)化為淀粉等儲(chǔ)存物質(zhì)，為下一代的生命旅程儲(chǔ)備能量。在果實(shí)的孕育過程中，糖的積累也使得果實(shí)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SWEETs）、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SUTs/SUCs）和單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MSTs）。當(dāng)糖類分子在細(xì)胞外或者細(xì)胞內(nèi)的某個(gè)部位靠近糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白上的“貨物卡槽”會(huì)精準(zhǔn)識(shí)別并結(jié)合特定的糖類分子。因此，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的“業(yè)務(wù)專長(zhǎng)”和“裝備配置”不同，工作模式不同，功能各異。

糖最終輸出轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就像是專門負(fù)責(zé)特殊任務(wù)的快遞員，它們擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，恰似精心設(shè)計(jì)的“分子通道”，鑲嵌在植物細(xì)胞的細(xì)胞膜上。它們積極參與植物應(yīng)對(duì)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(duì)病原體的侵染時(shí)激活自身的防御反應(yīng)。

蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白宛如植物體內(nèi)高效運(yùn)作的“蔗糖專線”快遞員，一端緊連光合作用的“生產(chǎn)車間”葉片，當(dāng)葉片合成蔗糖后，它便迅速“接單”，以極高的效率和精準(zhǔn)度，將蔗糖穩(wěn)穩(wěn)地裝載在其獨(dú)特的“運(yùn)輸載體”上，沿著植物體內(nèi)復(fù)雜的“物流網(wǎng)絡(luò)”，日夜兼程地駛向植物的各個(gè)“需求站點(diǎn)”。

而單糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白猶如植物機(jī)體中專注的“單糖速達(dá)”快遞員，在復(fù)雜的植物組織網(wǎng)絡(luò)中細(xì)胞的“大街小巷”中快速穿梭，把單糖高效傳遞給每個(gè)需要能量的細(xì)胞“住戶”，滿足植物的各種需求。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白各自具有獨(dú)特的功能，共同參與了植物體內(nèi)糖分的運(yùn)輸和分配。

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不僅是“快遞員”，它們還是讓作物增產(chǎn)的“法寶”

這些神奇的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，可不只是簡(jiǎn)單的“快遞員”，它們靈活多變，精準(zhǔn)洞悉植物在生長(zhǎng)各階段的需求變化，可根據(jù)植物的需要，靈活調(diào)整糖的運(yùn)輸速度和方向。因此，作物得以充分?jǐn)z取糖分，根系變得發(fā)達(dá)，枝干粗壯，葉片翠綠，光合作用效率提高，生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)顯著改善。最終，作物不僅長(zhǎng)得更健壯，產(chǎn)量也大幅提升。糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提高作物產(chǎn)量的方法主要有以下三種：

1. 與共生微生物合作；

首先，增強(qiáng)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白與共生微生物的相互作用是提高作物產(chǎn)量的重要策略之一。互惠微生物宛如一群微小卻神通廣大的“精靈”，與植物締結(jié)了緊密且精妙的共生契約?；セ菸⑸锟梢詾橹参锾峁└嗟臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白就像互惠微生物的“補(bǔ)給車”，負(fù)責(zé)它的能量補(bǔ)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(yíng)養(yǎng)補(bǔ)品”，讓它們長(zhǎng)得更壯實(shí)。

（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)供圖）

2. 優(yōu)化光合作用；

其次，光合作用是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。光合作用是糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的“任務(wù)發(fā)布者”，其產(chǎn)生的能量需求信息就像下達(dá)的指令，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如同繁忙港口的智能裝卸設(shè)備，能夠迅速且精確地將“貨物”（糖分）卸載并轉(zhuǎn)運(yùn)至目的地，加速糖分的運(yùn)輸調(diào)配，以滿足植物生長(zhǎng)各環(huán)節(jié)的能量需求。通過建立光合作用與糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白之間的動(dòng)態(tài)調(diào)控模型，優(yōu)化了植物對(duì)光能的利用及糖分的分配，這就需要“招募”更多的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白快遞員投入工作，加快糖類的運(yùn)輸速度，讓其光合作用的能量轉(zhuǎn)化成果快速在體內(nèi)流通。

（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)供圖）

3. 遺傳策略；

此外，基因編輯等手段也是提高作物產(chǎn)量的重要手段?；蚓庉嬀拖裆衿娴摹吧中g(shù)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因藍(lán)圖之中，使作物的生長(zhǎng)密碼得以優(yōu)化升級(jí)，讓它們的產(chǎn)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(huì)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(zhǎng)速度和發(fā)育進(jìn)程。

（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)供圖）

提高作物產(chǎn)量的策略

（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)提供）

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植物應(yīng)對(duì)逆境的“守護(hù)者”

植物的生長(zhǎng)之路并非總是一帆風(fēng)順，往往會(huì)面臨干旱、鹽漬、低溫等諸多極為嚴(yán)苛的逆境條件，給植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育帶來巨大的挑戰(zhàn)。這時(shí)，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會(huì)通過調(diào)節(jié)體內(nèi)糖的代謝和分布來適應(yīng)環(huán)境，它們，就像那些勇敢的“守護(hù)者”，筑起一道堅(jiān)不可摧的銅墻鐵壁，精準(zhǔn)且高效地調(diào)控著糖分的的輸出和積累，將細(xì)胞內(nèi)合成的糖分有序地運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)關(guān)鍵部位，平衡細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，從而保護(hù)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性，幫助植物度過難關(guān)。

比如，在干旱脅迫條件下，某些特殊的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就像給植物打造了一個(gè)“儲(chǔ)水護(hù)盾”，通過加速糖分積累，提升細(xì)胞液濃度，增強(qiáng)植物對(duì)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白如同給植物穿上了一套“隔離防護(hù)服”，通過調(diào)節(jié)糖分在細(xì)胞內(nèi)外的分布，阻擋過多的鹽分進(jìn)入細(xì)胞，降低鹽分對(duì)細(xì)胞的毒害。

而在高溫脅迫環(huán)境中，這類糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白又像給植物安裝了一臺(tái)“降溫風(fēng)扇”，通過調(diào)控糖分運(yùn)輸，促使植物啟動(dòng)特定的生理機(jī)制，調(diào)節(jié)體溫，避免因高溫而“中暑”。在低溫環(huán)境中，植物細(xì)胞內(nèi)的糖含量會(huì)增加，就像給細(xì)胞穿上了一件“保暖衣”，降低細(xì)胞液的冰點(diǎn)，防止細(xì)胞被凍傷。因此，糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白保證了植物細(xì)胞內(nèi)那些維持生命的化學(xué)反應(yīng)得以在逆境中持續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)，讓植物在惡劣的環(huán)境中也能保持良好的生長(zhǎng)節(jié)奏。

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植物體內(nèi)的智能“調(diào)節(jié)器”

糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也受到多種因素調(diào)控，以確保植物體內(nèi)糖類運(yùn)輸?shù)母咝c精準(zhǔn)。各信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑精密調(diào)控著糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能，就像是糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白組成物流網(wǎng)絡(luò)的“遙控器”，負(fù)責(zé)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)度，而糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在植物體內(nèi)就像智能“調(diào)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(gè)生命周期，它都在默默地發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用，將不同的糖類運(yùn)往植物的各個(gè)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(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育過程進(jìn)行著全方位的調(diào)控，為植物的生命活動(dòng)保駕護(hù)航。

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未來可期

糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白作為植物生長(zhǎng)過程中的“甜蜜使者”，在植物的生命活動(dòng)中扮演著重要角色。目前，我們對(duì)植物糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的認(rèn)識(shí)還只是冰山一角。展望未來，隨著基因測(cè)序和基因編輯技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)源源不斷地誕生更多有關(guān)糖轉(zhuǎn)運(yùn)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(shì)。這些新發(fā)現(xiàn)與新成果不僅會(huì)進(jìn)一步拓寬我們對(duì)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白作用的奧秘，更有望引領(lǐng)我們開創(chuàng)更多突破性的“甜蜜”方案，為培育適應(yīng)極端環(huán)境的作物品種、增強(qiáng)農(nóng)作物的綜合抗逆能力以及推動(dòng)農(nóng)業(yè)的高效穩(wěn)定發(fā)展提供更為堅(jiān)實(shí)的理論指引和技術(shù)支撐。