การรับรู้สารอาหารคือ ความสามารถของ เซลล์ในการรับรู้และตอบสนองต่อสารตั้งต้นของพลังงาน เช่นกลูโคสพลังงานแต่ละชนิดที่เซลล์ใช้จำเป็นต้องมีเส้นทางการใช้ที่แตกต่างกันและโมเลกุลเสริมเช่นเอนไซม์และโคแฟคเตอร์เพื่อประหยัดทรัพยากร เซลล์จะผลิตเฉพาะโมเลกุลที่จำเป็นในขณะนั้นเท่านั้น ระดับและชนิดของพลังงานที่มีอยู่สำหรับเซลล์จะกำหนดชนิดของเอนไซม์ ที่ เซลล์จำเป็นต้องสร้างจากจีโนมเพื่อนำไปใช้ตัวรับบน พื้นผิว ของเยื่อหุ้มเซลล์ที่ออกแบบมาให้ทำงานเมื่อมีโมเลกุลของพลังงานจำเพาะจะสื่อสารกับนิวเคลียสของเซลล์ผ่านปฏิกิริยาแบบต่อเนื่องตัว รับ สารอาหารเป็นตัวรับที่ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่รับรู้สารอาหารเป็นหลัก ในขณะที่ตัวรับอื่นๆ (เช่นตัวรับอินซูลินตัวรับเลปติน ) มีหน้าที่หลากหลายและทำหน้าที่อื่นๆ นอกเหนือจากการรับรู้สารอาหารด้วย^{[ 1 ]}ด้วยวิธีนี้เซลล์จะรับรู้ถึงสารอาหารที่มีอยู่และสามารถผลิตเฉพาะโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจงกับสารอาหารประเภทนั้นได้

การตอบสนองอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพต่อความผิดปกติของระดับสารอาหารมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิตตั้งแต่แบคทีเรียไปจนถึงมนุษย์ ดังนั้นเซลล์จึงได้พัฒนาเส้นทางโมเลกุลมากมายที่สามารถรับรู้ความเข้มข้นของสารอาหารและควบคุมการแสดงออกของยีนและการดัดแปลงโปรตีนอย่างรวดเร็วเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงใดๆ^{[ 2 ]}

การเจริญเติบโตของเซลล์ถูกควบคุมโดยการประสานงานของทั้งสารอาหารภายนอกเซลล์และความเข้มข้นของสารเมตาบอไลต์ภายในเซลล์ เอนไซม์AMP-activated kinase (AMPK)และmammalian target of rapamycin complex 1ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลสำคัญที่ตรวจจับระดับพลังงานและสารอาหารภายในเซลล์ตามลำดับ

• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารอาหาร เมตาบอไลต์ การแสดงออกของยีน และการดัดแปลงโปรตีนมีส่วนเกี่ยวข้องในการประสานงานของการเจริญเติบโตของเซลล์กับสภาวะภายนอกและภายในเซลล์^{[ 3 ]}

เซลล์สิ่งมีชีวิตใช้ATPเป็นแหล่งพลังงานโดยตรงที่สำคัญที่สุด การไฮโดรไลซิสของ ATP เป็นADPและฟอสเฟต (หรือAMPและไพโรฟอสเฟต ) ให้พลังงานสำหรับกระบวนการทางชีวภาพส่วนใหญ่ อัตราส่วนของ ATP ต่อ ADP และ AMP เป็นตัวบ่งชี้สถานะพลังงานของเซลล์ ดังนั้นเซลล์จึงตรวจสอบอัตราส่วนนี้อย่างเข้มงวด ในเซลล์ยูคาริโอต AMPK ทำหน้าที่เป็นเซนเซอร์พลังงานของเซลล์ที่สำคัญและเป็นตัวควบคุมหลักของการเผาผลาญเพื่อรักษาสมดุลพลังงาน^{[ 4 ]}

การรับรู้และการส่งสัญญาณของสารอาหารเป็นตัวควบคุมหลักของ กลไก เอพิเจเนติกส์ในมะเร็ง ในช่วงที่กลูโคสขาดแคลน ตัวรับรู้พลังงาน AMPK จะกระตุ้นอาร์จินีนเมทิลทรานสเฟอเรสCARM1และเป็นตัวกลางใน การเกิดไฮเปอร์เมทิลเลชัน ของฮิสโตน H3 ( H3R17me2 ) ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของออโตฟาจีนอกจากนี้ เอนไซม์ O -GlcNAc ทรานสเฟอเรส (OGT)จะส่งสัญญาณความพร้อมของกลูโคสไปยัง TET3 และยับยั้ง TET3 โดยการลดกิจกรรมไดออกซิเจเนสและส่งเสริมการส่งออกไปยังนิวเคลียส OGT ยังเป็นที่รู้จักกันดีว่าสามารถปรับเปลี่ยนฮิสโตนด้วยO -GlcNAc ได้โดยตรง ข้อสังเกตเหล่านี้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการส่งสัญญาณของสารอาหารมุ่งเป้าไปที่เอนไซม์เอพิเจเนติกส์โดยตรงเพื่อควบคุมการปรับเปลี่ยนเอพิเจเนติกส์^{[ 5 ]}

การรับรู้สารอาหารเป็นกลไกสำคัญในการควบคุมการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อ ตัวกลางหลักในการรับรู้สารอาหารของเซลล์คือโปรตีนไคเนสTOR (target of rapamycin) TOR รับข้อมูลจากระดับกรดอะมิโนและพลังงานของเซลล์ และควบคุมกิจกรรมของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตของเซลล์ เช่น การสังเคราะห์โปรตีนและออโตฟาจี การส่งสัญญาณคล้ายอินซูลินเป็นกลไกหลักในการรับรู้สารอาหารในระดับระบบ และทำหน้าที่ควบคุมการเจริญเติบโตส่วนใหญ่ผ่านทางเส้นทางโปรตีนไคเนส กลไกฮอร์โมนอื่นๆ ที่ควบคุมโดยโภชนาการมีส่วนช่วยในการควบคุมการเจริญเติบโตโดยการปรับกิจกรรมของการส่งสัญญาณคล้ายอินซูลิน^{[ 6 ]}

พืชชั้นสูงต้องการธาตุอาหารที่จำเป็นหลายชนิดเพื่อใช้ในการดำรงชีวิต ธาตุอาหารแร่ธาตุส่วนใหญ่จะถูกดูดซึมโดยรากจากไรโซสเฟียร์และกระจายไปยังลำต้นในภายหลัง เพื่อเอาชนะข้อจำกัดด้านสารอาหาร พืชได้พัฒนากลไกการตอบสนองที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยกลไกการรับรู้และกระบวนการส่งสัญญาณเพื่อรับรู้และปรับตัวให้เข้ากับความพร้อมของสารอาหารภายนอก^{[ 7 ]}

พืชได้รับสารอาหารที่จำเป็นส่วนใหญ่โดยการดูดซับจากดินเข้าสู่ราก แม้ว่าพืชจะไม่สามารถเคลื่อนย้ายไปยังสภาพแวดล้อมใหม่ได้หากปริมาณสารอาหารไม่เอื้ออำนวย แต่พืชสามารถปรับเปลี่ยนการเจริญเติบโตเพื่อเอื้อต่อการเจริญเติบโตของรากในบริเวณดินที่มีสารอาหารอุดมสมบูรณ์ ดังนั้น พืชจึงรับรู้ถึงปริมาณสารอาหารภายนอก เช่น ไนโตรเจน และเชื่อมโยงการรับรู้สารอาหารนี้เข้ากับการตอบสนองเชิงปรับตัวที่เหมาะสม

โพแทสเซียม (K ⁺ ) และฟอสฟอรัส (P ⁺ ) เป็นธาตุอาหารหลักที่สำคัญสำหรับพืชผล แต่ในแปลงปลูกมักขาดแคลน ความรู้เกี่ยวกับวิธีที่พืชรับรู้การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ K ⁺และ P ⁺และวิธีที่การรับรู้ดังกล่าวถูกบูรณาการในระดับสิ่งมีชีวิตเข้ากับการปรับตัวทางสรีรวิทยาและเมตาบอลิซึมนั้น ยังมีน้อยมาก ^{[ 8 ] [ 9 ]}ธาตุอาหารรองอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อยก็มีความสำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืชผลเช่นกัน ธาตุอาหารเหล่านี้ทั้งหมดมีความสำคัญเท่าเทียมกันต่อการเจริญเติบโตของพืช และการขาดธาตุอาหารใดธาตุหนึ่งอาจส่งผลให้พืชเจริญเติบโตไม่ดี รวมทั้งทำให้พืชอ่อนแอต่อโรคหรืออาจถึงตายได้^{[ 10 ]}ธาตุอาหารเหล่านี้ร่วมกับ CO2 _และพลังงานจากแสงอาทิตย์ช่วยในการพัฒนาของพืช^{[ 11 ]}

ไนโตรเจนเป็นสารอาหารที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งสำหรับการพัฒนาและการเจริญเติบโตของพืชทุกชนิดการรับรู้และการตอบสนองต่อสัญญาณของไนโตรเจนจึงมีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของพืช^{[ 12 ]}พืชดูดซับไนโตรเจนจากดินในรูปของไนเตรตหรือแอมโมเนีย^{[ 13 ]}ในดินที่มีระดับออกซิเจนต่ำ แอมโมเนียเป็นแหล่งไนโตรเจนหลัก แต่ความเป็นพิษจะถูกควบคุมอย่างระมัดระวังด้วยการถอดรหัสของตัวขนส่งแอมโมเนียม (AMTs) ^{[ 13 ]}เมตาโบไลต์นี้และเมตาโบไลต์อื่นๆ รวมถึงกลูตาเมตและกลูตามีน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำหน้าที่เป็นสัญญาณของไนโตรเจนต่ำผ่านการควบคุมการถอดรหัสยีนตัวขนส่งไนโตรเจน^{[ 14 ]} NRT1.1 หรือที่รู้จักกันในชื่อ CHL1 เป็นตัวรับและตัวขนส่งไนเตรตที่พบในเยื่อหุ้มพลาสมาของพืช^{[ 13 ]}นี่คือตัวรับและตัวขนส่งที่มีความสัมพันธ์ทั้งสูงและต่ำที่รับรู้ความเข้มข้นของไนเตรตที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับการฟอสโฟรีเลชันของสารตกค้าง T101 ^{[ 13 ]}มีการแสดงให้เห็นว่าไนเตรตยังสามารถทำหน้าที่เป็นเพียงสัญญาณสำหรับพืชได้ เนื่องจากแม้แต่พืชกลายพันธุ์ที่ไม่สามารถเผาผลาญไนเตรตได้ก็ยังสามารถรับรู้ไอออน นี้ ได้^{[ 14 ]}ตัวอย่างเช่น พืชหลายชนิดแสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นของยีนที่ถูกควบคุมโดยไนเตรตในสภาวะที่มีไนเตรตต่ำ และ การถอดรหัส mRNAของยีนดังกล่าวอย่างสม่ำเสมอในดินที่มีไนเตรตสูง^{[ 14 ]}สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการรับรู้ความเข้มข้นของไนเตรตในดินโดยไม่ต้องมี ผลิตภัณฑ์จาก การเผาผลาญไนเตรต และยังคงแสดงผลทางพันธุกรรมต่อไปได้^{[ 14 ]}

โพแทสเซียม (K+) ซึ่งเป็นหนึ่งในธาตุอาหารหลัก ที่จำเป็น พบได้ในดินของพืช K+ เป็นแคตไอออนที่มีมากที่สุดและมีปริมาณจำกัดมากในดินของพืช พืชดูดซับ K+ จากดินผ่านช่องทางที่พบในเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ราก โพแทสเซียมไม่ได้ถูกดูดซึมเข้าสู่สารอินทรีย์เหมือนธาตุอาหารอื่นๆ เช่นไนเตรตและแอมโมเนียมแต่ทำหน้าที่เป็นออสโมติกหลัก^{[ 7 ]}

การรักษาสมดุลอย่างระมัดระวังระหว่างพลังงานที่สะสมและการบริโภคแคลอรี่เป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าร่างกายมีพลังงานเพียงพอในการบำรุงรักษา เจริญเติบโต และทำกิจกรรม หากสมดุลไม่เหมาะสม อาจส่งผลให้เกิดโรคอ้วนและโรคที่เกี่ยวข้องได้^{[ 15 ]}