作者:王敏,朱子月 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2024/3/22 11:09:17
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我国揭开植物激素领域未解之谜

 

油菜素内酯被学界列为第六大植物激素,在植物生长调控中发挥着重要作用。在细胞内部进行生物合成的油菜素内酯,需要被搬运到细胞外才能发挥作用。但是,自其被发现的80多年来,谁负责搬运、其运输过程是怎样的,一直是未解之谜。

中国科学技术大学教授孙林峰团队与比利时根特大学教授尤金妮娅·拉西诺娃团队合作,在油菜素内酯的运输领域取得突破性进展。他们发现了油菜素内酯首个转运蛋白——ABCB19蛋白,它可以将油菜素内酯搬运到细胞外。该成果填补了油菜素内酯运输领域的关键空白,对研究植物生长发育以及农业生产具有重要意义。相关研究成果近日发表于《科学》。

能效显著的油菜素内酯

油菜素内酯又名“芸苔素内酯”,在植物中含量极低,因此其鉴定过程十分漫长且艰难。

早在1941年,美国学者就发现玉米花粉提取物可以促进大豆生长,但并不知道具体原因。1970年,他们从油菜花粉中提取出一种活性物质,发现它同样可以促进大豆的生长,并将其命名为“油菜素”。

1979年,研究人员通过优化纯化工艺,从227千克油菜花粉中提取了4毫克活性物质。他们通过X射线、质谱等手段解析了活性物质的化学结构,揭开了该物质的神秘面纱,将其命名为“油菜素内酯”。

随着研究的深入,研究人员逐渐意识到油菜素内酯在植物生长调控中的重要性,于是1996年,继生长素、脱落酸、细胞分裂素、乙烯和赤霉素之后,学界将油菜素内酯列为第六大类植物激素。

虽然油菜素内酯在植物中含量极低,但能效十分显著。“它可以调控植物的生长、开花和育种等多个方面,还可以提高植物对干旱、盐碱等环境以及病虫害等胁迫的适应性,对于植物的发育和生存十分关键。”论文共同通讯作者孙林峰介绍,施用油菜素内酯经济实惠,只需要使用微量的油菜素内酯,就可以显著提高经济作物的产量。目前,该方法已被广泛应用在农业生产中。

随着生活水平提高,人们对农产品的安全和品质提出了更高要求。孙林峰认为,油菜素内酯作为一种高效广谱、无毒无害的新型植物生长调节剂,具有广阔的应用前景。

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孙林峰(前排中)与团队成员分析ABCB19蛋白的电镜结构。周欣宇/摄

意外发现ABCB19蛋白“隐藏功能”

解开油菜素内酯搬运之谜,对于孙林峰团队来说是个“意外”。当时团队在研究第一大类植物激素——生长素的运输蛋白,在此过程中,他们意外发现ABCB19蛋白是油菜素内酯的“搬运工”。

事实上,ABCB19蛋白是个搬运“老手”,它一直被视为生长素的“搬运工”,而这一结果也被学术界广泛接受。

但在此次研究中,孙林峰团队有了新发现。

“一开始,我们一直想要解释ABCB19蛋白是如何结合和搬运生长素的,但是实验发现ABCB19蛋白对于生长素的结合和搬运并不明显。”孙林峰说,由于始终无法获得很好的实验结果,这项工作被暂时搁置。

后来,在一次与开展植物学研究的同事讨论中,孙林峰得到了一些启发。

“假设ABCB19蛋白搬运的是生长素,那么当它被破坏后,也就是它的突变体蛋白植株会出现生长素信号缺陷的特征。但是,实验中,我们注意到,ABCB19蛋白突变体植株与其他的生长素搬运蛋白突变体植株外形表现并不一致。”孙林峰说。

于是,团队大胆猜测:ABCB19蛋白除了搬运生长素外,是否还搬运其他植物激素。

质疑权威是一个很大的挑战,但团队决定试一试。

一般来说,蛋白在搬运植物激素时,需要消耗能量。因此,通过监测能量消耗的情况,就能初步判断蛋白是否和植物激素发生了反应。

团队首先在ABCB19蛋白中加入生长素,发现并不能促进蛋白对能量的消耗。证实了蛋白没有很好地搬运生长素。

同样的,团队又分别监测了ABCB19蛋白在赤霉素、油菜素内酯等多种植物激素中的能量消耗情况。“我们意外地观察到,在油菜素内酯中,ABCB19蛋白能量消耗异常显著。”孙林峰说。

研究团队建立了利用放射性标记追踪物质运动状态的体系,这相当于给油菜素内酯植入了一个“定位仪”,并利用其证明了ABCB19蛋白在人工构建的模拟细胞环境中可以搬运油菜素内酯。

为了进一步看清ABCB19蛋白的样貌,团队利用冷冻电镜技术解析得到高分辨率三维结构,直观地观察到了ABCB19蛋白是如何结合、搬运油菜素内酯的。

ABCB19蛋白长得像一个双开口的V形夹,倒V字开口“捕捉”细胞内部的油菜素内酯,结合后,再以正V字开口在细胞外部打开进行“释放”。

最终,孙林峰团队与尤金妮娅·拉西诺娃团队合作,在植物细胞内进一步证实了ABCB19蛋白能够搬运油菜素内酯,并且促进油菜素内酯发挥信号调控作用。

“我们意外地发现了ABCB19蛋白的这些‘隐藏功能’,阐明了很多之前在表型上观察到的差异,这让我们可以重新审视该蛋白的生理作用。”孙林峰说。

填补油菜素内酯信号通路研究空白

粮食安全是“国之大者”。“植物激素的基础研究有助于农业增产高效。”孙林峰说。

孙林峰自2017年加入中国科学技术大学并建立团队以来,就将研究方向定为“植物激素运输和信号调控”。近年来,他们针对重要植物激素的运输过程进行研究,通过冷冻电镜技术描绘了多个关键“搬运工”的样貌,并利用各种生物化学研究手段回答了它们搬运植物激素的原理。

比如,团队揭示了生长素“搬运工”成员PIN1蛋白的结构,让人们更清晰地理解植物“向光生长”等有趣的生命现象。相关研究成果于2022年8月2日发表在《自然》上。

在此基础上,2023年,团队在《植物通讯》发表了靶向PIN蛋白抑制剂的研究,发现消炎、镇痛药物分子萘普生可以抑制PIN蛋白的功能,这为开发更安全、有效的农药提供了思路。此外,团队还解析了植物激素脱落酸“搬运工”ABCG25蛋白的三维结构。相关研究成果发表于《自然-植物》。

可以说,孙林峰团队一直在“死磕”植物激素研究。

此前,前五大植物激素的转运蛋白已经被发现,只有油菜素内酯转运蛋白是个未知数。“当我们证实ABCB19蛋白是油菜素内酯转运蛋白时,真的很激动。我们的工作填补了油菜素内酯信号通路的研究空白。”孙林峰说,这也为设计开发针对该蛋白的小分子功能调节化合物奠定了基础,为相关农药和植物生长调节剂用于农业生产、提高作物产量提供了更多思路。

“ABCB19蛋白更偏向于转运油菜素内酯而不是生长素,是一个有趣的发现。这为该领域研究作出了重大贡献。”一位审稿专家评价道。

未来,孙林峰将带领团队进一步分析、改造ABCB19蛋白,为人们利用油菜素内酯促进农业生产提供更多帮助。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.adj4591

《中国科学报》 (2024-03-22 第1版 要闻)

 
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