營養(yǎng)失衡會對作物健康和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力產(chǎn)生不利影響。微量元素鋅和鐵在植物體內(nèi)被同一個“轉(zhuǎn)運體”吸收;因此，缺鋅會導(dǎo)致鐵攝入過多。工廠如何應(yīng)對這種不平衡?明治大學(xué)的研究人員揭示，自噬，即細胞內(nèi)自我降解的過程，可能在恢復(fù)植物鋅鐵平衡方面具有意想不到的作用。
土壤中養(yǎng)分和礦物質(zhì)的平衡對于植物的最佳生長至關(guān)重要。特定營養(yǎng)素的缺乏或過剩會對植物的生長和健康產(chǎn)生不利影響，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的整體質(zhì)量和數(shù)量。鑒于工業(yè)活動造成的重金屬污染過多，營養(yǎng)失衡變得越來越普遍。
鋅是一種必需的微量元素，對許多重要的生命過程很重要。有趣的是，鋅和鐵(另一種必需營養(yǎng)素)的吸收和轉(zhuǎn)運是通過一組常見的蛋白質(zhì)促進的，稱為“鋅和鐵調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)運蛋白樣蛋白 (ZIP)”。這意味著，這種鋅鐵“蹺蹺板”的干擾可能會導(dǎo)致由它們各自的缺陷引起的癥狀。也就是說，如果土壤沒有足夠的鋅，ZIP 會通過增加鐵的吸收來應(yīng)對，導(dǎo)致活性氧化物質(zhì)和萎黃癥(葉子變黃)增加。相反，過量的鋅會導(dǎo)致鐵的吸收減少。在這種情況下，這些營養(yǎng)素的細胞內(nèi)平衡是如何恢復(fù)的?
明治大學(xué)的研究人員深入探討鋅鐵平衡或“體內(nèi)平衡”的可能機制，探索了自噬(一種自我降解和回收過程)在恢復(fù)植物細胞鋅鐵平衡方面的潛在作用。通訊作者兼教授 Kohki Yoshimoto 博士在描述他們發(fā)表在《植物科學(xué)趨勢》雜志上的研究時說：“雖然大多數(shù)研究都解決了養(yǎng)分吸收和運輸?shù)淖饔?，但我們提出了一種關(guān)于自噬如何提供移動鋅和鐵離子的新模型。分別是鋅饑餓和鋅過度應(yīng)激;因此，平衡細胞內(nèi)鋅鐵蹺蹺板以適應(yīng)廣泛的環(huán)境鋅濃度。”
自噬先前已被證明可以增加植物系統(tǒng)中鋅的可用性。在擬南芥中，一種植物模型系統(tǒng)，缺乏自噬反應(yīng)的“atg”突變體降低了鋅的水平并表現(xiàn)出嚴重的萎黃病。此外，眾所周知，缺鋅會引發(fā)自噬，從而為植物生長提供可移動的鋅離子。然而，在自噬缺陷突變體中，這種激活受損，導(dǎo)致缺鋅的典型癥狀。
過量的鋅對植物也是有毒的，在這種情況下，自噬也是救星。植物在鋅過量條件下表現(xiàn)出缺鐵癥狀。自噬在鋅過量條件下被激活，以從非移動形式(如鐵結(jié)合蛋白)中重新供應(yīng)移動鐵離子。自噬提高鐵的生物利用度并抑制缺鐵癥狀。
從自噬在鋅-鐵穩(wěn)態(tài)中的作用開始，研究人員繼續(xù)闡明負責激活自噬的營養(yǎng)感應(yīng)機制。轉(zhuǎn)錄因子 bZIP19 和 bZIP23 屬于堿性亮氨酸拉鏈家族，可檢測細胞內(nèi)鋅水平的變化，從而調(diào)節(jié)細胞膜上轉(zhuǎn)運蛋白的表達。研究人員推測，這些蛋白質(zhì)可能是根據(jù)鋅的狀態(tài)“開啟”或“關(guān)閉”自噬反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑。類似的機制也可能在缺鐵和過量鋅的情況下發(fā)揮作用，以恢復(fù)鐵水平。
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