即使是植物也要靠能源来维持生命，尽管植物以将太阳能转化为化学能(以糖的形式存在)而闻名，但它们有复杂的生化机制来调节它们如何利用这些能量；制作食用油要花很多钱。美国能源部布鲁克海文国家实验室的一组科学家通过探索这种微妙的能量平衡细节，发现了一种维持植物糖平衡的蛋白质和一种促进油生产的蛋白质之间一种以前未知的联系。发表在《植物细胞》(The Plant Cell)上的这项生化检测工作，指出了利用植物从阳光中获取能量生产油基生物燃料和其他生物材料的新策略。
博科园-科学科普：领导这项研究的布鲁克海文实验室高级生物化学家约翰·尚克林说：这项研究表明了解基本的生物化学和细胞生物学对增加所需植物产品的产量有潜在帮助。这是一个基础科学的例子，它指出了改善农作物生产更多我们想要东西的方法。Shanklin团队，包括博士后翟志洋和研究助理刘慧卿，探索了基因和生化因素的作用，这些因素可能提供了植物含糖量和油产量之间的联系。我们对糖的体内平衡有很多了解，这是一种让糖保持在适当水平的机制。关键的因素之一是控制糖含量的蛋白质，就像恒温器控制温度一样。
当糖含量低时，这种被称为KIN10的蛋白质会在上千种不同的蛋白质中添加一个磷酸基，以改变它们的功能，最终提高糖的含量。随着糖水平的提高，KIN10磷酸化蛋白质的能力受到抑制，从而减慢了糖的生产。此外当有足够的糖分供应时，植物可以“投资”于能源密集型的生产过程，比如油脂的生产。但当糖水平下降时，油产量就会放缓。所以Shanklin怀疑这两个过程之间有联系。研究团队首先观察了由KIN10磷酸化的大约1000个蛋白质，但没有发现它们与油合成的联系。因此科学家们将研究重点转向一种已知的控制油合成的主要调节蛋白。
这张图片显示的是与DNA(橙色、绿色和蓝色的“扭曲的梯子”)结合在一起，启动植物产油基因的皱折部分(绿色的“丝带”)。分子的洋红色、红色和蓝色棒状部分被KIN10磷酸化，以标记皱折，引发一个导致其破坏的过程。干扰这些磷酸化位点可能是一种稳定起皱以增加植物产油的方法。图片：Brookhaven National Laboratory
这种被称为皱褶的蛋白质会激活产生油的基因。为了测试这两种调节蛋白之间的联系，研究人员利用了一种快速遗传分析系统，在烟叶中表达基因(和基因组合)，然后用免疫学方法来测量这些基因产生的蛋白质，再用定量分析来测量油的含量，综合了许多不同的生化和基因技术来解决这个难题。当科学家们表达出烟草叶子中起皱的基因时，这种“开开关”的产油蛋白质就会随着油而积累起来。然而当他们同时表达KIN10基因时，皱缩的蛋白被降解，少量的油聚集。这表明皱纹1是kin10 （之前未知的联系目标）。
为了进一步研究这种联系，研究小组纯化了这些蛋白(KIN10和皱褶1)，并使用一种放射性形式的磷元素来追踪磷酸化反应。当KIN10存在时，放射性磷原子被转移到皱褶1，最有可能是在两个位点，研究小组分析了蛋白质的序列后假设为KIN10靶位点。通过制造出缺少这些位点的皱折基因变体来确认这两个位点的身份，并证明这些变体没有被KIN10磷酸化。当我们测试这些改良变种在烟叶中的表达时，皱纹累积到了更高的水平。其原因是，磷酸化标记，并为细胞的天然蛋白质循环机制破坏做好准备。因此，这项研究提供了糖水平和油产量之间的机械联系。
布鲁克海文高级生物化学家约翰·尚克林(中)与研究助理刘慧卿(左)和博士后翟志洋(左)一起研究了烟草植物，以解释植物的糖平衡和油生产过程之间的联系。图片：Brookhaven National Laboratory
糖含量低时，KIN10会磷酸化起皱的物质，将其标记为破坏性物质，所以减少起皱的物质可以用于石油生产。相反当糖水平上升时（当“经济”状况良好时）就会被关闭，皱纹增多，糖水平就会上升，进而推动油生产。这项研究的细节为科学家们提供了几种可能的方法来修改褶皱，以“诱骗”植物制造更多的油：一种是改变磷酸化的部位，另一种是干扰位点，使磷酸化蛋白进入循环机制。大自然使基因‘开关’寿命很短，能够对变化的代谢条件做出快速反应，所以我们不需要制造更多的油生产‘开关’，只需要防止蛋白质被降解，这样蛋白质就会积累，也就能得到更强的效果。
美国能源部布鲁克海文国家实验室的一项研究发现了糖信号分子如何帮助调节植物细胞中油生产的新细节。新发表在《植物细胞》(the Plant Cell)上的一篇论文所述，这项研究可能会为植物生产大量油的新方法指明方向，这些石油可用于生物燃料或其他油基产品的生产。布鲁克海文实验室的生物化学家约翰·尚克林在之前的研究基础上进行了这项研究，他发现了一种蛋白质复合物(具体来说是一种名为KIN10的亚基)与另一种作为油生产“开关”的蛋白质(起皱了)之间的明确联系。利用这一知识，Shanklin的团队最近证明：可以利用基因变异的组合来增加植物叶片中糖分的积累，从而提高油产量。
当植物含糖量低时(左图)，一连串的分子相互作用会使蛋白质(W)退化，从而启动脂肪酸合成(FAS)。然而当糖含量高(右)时，这一过程中的关键步骤就会被阻断，W蛋白就会完好无损地开始生产脂肪酸(油)。关键字:K = KIN10, G = GRIK1, P =磷酸基，W =皱纹1,FAS =脂肪酸合成，DEG =降解，T6P =海藻糖6-磷酸，褪色的分子和路径比粗体显示的活跃程度低。图片：Brookhaven National Laboratory
这项新研究提供了更详细的了解糖信号和石油生产之间的联系，明确了哪些分子调节平衡和如何调节平衡。如果你是一个细胞，你会想知道你是否应该制造新的化合物或者分解现有的化合物，制造油是需要的；当有大量的能量时，就会想要制造它，而细胞中的能量是通过可获得的糖量来衡量。通过了解糖的可获得性如何推动油生产，研究人员希望找到办法让工厂提高生产油的优先权。研究小组早期的研究揭示了糖油平衡的一些关键生化细节。具体来说，发现当糖水平较低时，糖敏感复合物的KIN10部分通过触发油“接通”开关的降解(起皱)来关闭油生产。
高糖水平在某种程度上阻止了这种降解，使开关蛋白稳定下来，产生油。但是，科学家们并不完全明白这是怎么回事。在这篇新论文中，第一作者翟志洋(音)和琼塔娜?基瑞特维德(Jantana keereetacry)领导了一项详细的研究，试图弄清楚这些分子分子是如何相互作用，在糖含量丰富的情况下推动油产量上升。研究小组使用了一种新兴的技术，称为微尺度热泳，它使用荧光染料和热来精确测量分子相互作用的强度。可以用荧光染料给这些分子贴上标签，然后测量它们如何远离热源。再然后如果添加另一个分子与标记分子结合，它会改变标记分子远离热量的速度。
Jan和Zhiyang在这个棘手的研究问题上的快速应用是解决这个问题的关键。在研究中包括物质中有一种叫做海藻糖6-磷酸(T6P)分子水平和糖的水平一样上下波动。研究发现T6P直接与糖敏感复合物的KIN10成分相互作用。展示了这种结合如何干扰KIN10关闭油生物合成的能力。通过测量许多不同分子之间的相互作用，确定糖信号分子T6P与KIN10结合，并干扰其与之前未知中间产物GRIK1的相互作用，这是KIN10用来标记皱折破坏物质所必需的。这就解释了信号如何影响事件链并导致油产量增加。不仅是糖，还有与糖一起涨落的信号分子，它们抑制了油的关闭机制。
为了将这些知识付诸实践以增加油产量，科学家们需要更多的细节。因此，下一步将是在布鲁克海文国家同步加速器光源II (nsl -II)上近距离观察T6P与其靶蛋白KIN10的相互作用。美国能源部科学办公室的用户设备产生非常明亮的x射线，这个团队将使用它来揭示相互作用的分子是如何结合在一起。有了布鲁克黑文实验室的nsl - ii，研究正处于将这项研究带入下一阶段的最佳位置。在光源上有一些独特的工具可以让我们为发现的交互添加原子级别的细节。这些细节可以为改变T6P的靶蛋白KIN10的序列指明方法，模拟相互作用的影响，修改细胞“调节电路”以优先生产油。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Plant Cell》｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室，DOI: doi.org/10.1105/tpc.17.00019
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