第六大植物激素的首個(gè)“搬運(yùn)工”現(xiàn)身

王敏　朱子月

油菜素內(nèi)酯被學(xué)界列為第六大植物激素，在植物生長(zhǎng)調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行生物合成的油菜素內(nèi)酯，需要被搬運(yùn)到細(xì)胞外才能發(fā)揮作用。但是，自其被發(fā)現(xiàn)的80多年來(lái)，誰(shuí)負(fù)責(zé)搬運(yùn)、其運(yùn)輸過(guò)程是怎樣的，一直是未解之謎。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫林峰團(tuán)隊(duì)與比利時(shí)根特大學(xué)教授尤金妮婭·拉西諾娃團(tuán)隊(duì)合作，在油菜素內(nèi)酯的運(yùn)輸領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)了油菜素內(nèi)酯首個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白——ABCB19蛋白，它可以將油菜素內(nèi)酯搬運(yùn)到細(xì)胞外。該成果填補(bǔ)了油菜素內(nèi)酯運(yùn)輸領(lǐng)域的關(guān)鍵空白，對(duì)研究植物生長(zhǎng)發(fā)育以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。

1、能效顯著的油菜素內(nèi)酯

油菜素內(nèi)酯又名“蕓苔素內(nèi)酯”，在植物中含量極低，因此其鑒定過(guò)程十分漫長(zhǎng)且艱難。

早在1941年，美國(guó)學(xué)者就發(fā)現(xiàn)玉米花粉提取物可以促進(jìn)大豆生長(zhǎng)，但并不知道具體原因。1970年，他們從油菜花粉中提取出一種活性物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它同樣可以促進(jìn)大豆的生長(zhǎng)，并將其命名為“油菜素”。

1979年，研究人員通過(guò)優(yōu)化純化工藝，從227千克油菜花粉中提取了4毫克活性物質(zhì)。他們通過(guò)X射線、質(zhì)譜等手段解析了活性物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，揭開(kāi)了該物質(zhì)的神秘面紗，將其命名為“油菜素內(nèi)酯”。

隨著研究的深入，研究人員逐漸意識(shí)到油菜素內(nèi)酯在植物生長(zhǎng)調(diào)控中的重要性，于是1996年，繼生長(zhǎng)素、脫落酸、細(xì)胞分裂素、乙烯和赤霉素之后，學(xué)界將油菜素內(nèi)酯列為第六大類(lèi)植物激素。

雖然油菜素內(nèi)酯在植物中含量極低，但能效十分顯著。“它可以調(diào)控植物的生長(zhǎng)、開(kāi)花和育種等多個(gè)方面，還可以提高植物對(duì)干旱、鹽堿等環(huán)境以及病蟲(chóng)害等脅迫的適應(yīng)性，對(duì)于植物的發(fā)育和生存十分關(guān)鍵。”論文共同通訊作者孫林峰介紹，施用油菜素內(nèi)酯經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，只需要使用微量的油菜素內(nèi)酯，就可以顯著提高經(jīng)濟(jì)作物的產(chǎn)量。目前，該方法已被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

隨著生活水平提高，人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全和品質(zhì)提出了更高要求。孫林峰認(rèn)為，油菜素內(nèi)酯作為一種高效廣譜、無(wú)毒無(wú)害的新型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、意外發(fā)現(xiàn)ABCB19蛋白“隱藏功能”

解開(kāi)油菜素內(nèi)酯搬運(yùn)之謎，對(duì)于孫林峰團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是個(gè)“意外”。當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)在研究第一大類(lèi)植物激素——生長(zhǎng)素的運(yùn)輸?shù)鞍祝诖诉^(guò)程中，他們意外發(fā)現(xiàn)ABCB19蛋白是油菜素內(nèi)酯的“搬運(yùn)工”。

“一開(kāi)始，我們一直想要解釋ABCB19蛋白是如何結(jié)合和搬運(yùn)生長(zhǎng)素的，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ABCB19蛋白對(duì)于生長(zhǎng)素的結(jié)合和搬運(yùn)并不明顯。”孫林峰說(shuō)，由于始終無(wú)法獲得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這項(xiàng)工作被暫時(shí)擱置。

后來(lái)，在一次與開(kāi)展植物學(xué)研究的同事討論中，孫林峰得到了一些啟發(fā)。

“假設(shè)ABCB19蛋白搬運(yùn)的是生長(zhǎng)素，那么當(dāng)它被破壞后，也就是它的突變體蛋白植株會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)素信號(hào)缺陷的特征。但是，實(shí)驗(yàn)中，我們注意到，ABCB19蛋白突變體植株與其他的生長(zhǎng)素搬運(yùn)蛋白突變體植株外形表現(xiàn)并不一致。”孫林峰說(shuō)。

團(tuán)隊(duì)首先在ABCB19蛋白中加入生長(zhǎng)素，發(fā)現(xiàn)并不能促進(jìn)蛋白對(duì)能量的消耗。證實(shí)了蛋白沒(méi)有很好地搬運(yùn)生長(zhǎng)素。

同樣的，團(tuán)隊(duì)又分別監(jiān)測(cè)了ABCB19蛋白在赤霉素、油菜素內(nèi)酯等多種植物激素中的能量消耗情況。“我們意外地觀察到，在油菜素內(nèi)酯中，ABCB19蛋白能量消耗異常顯著。”孫林峰說(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)建立了利用放射性標(biāo)記追蹤物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的體系，這相當(dāng)于給油菜素內(nèi)酯植入了一個(gè)“定位儀”，并利用其證明了ABCB19蛋白在人工構(gòu)建的模擬細(xì)胞環(huán)境中可以搬運(yùn)油菜素內(nèi)酯。

為了進(jìn)一步看清ABCB19蛋白的樣貌，團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)解析得到高分辨率三維結(jié)構(gòu)，直觀地觀察到了ABCB19蛋白是如何結(jié)合、搬運(yùn)油菜素內(nèi)酯的。

ABCB19蛋白長(zhǎng)得像一個(gè)雙開(kāi)口的V形夾，倒V字開(kāi)口“捕捉”細(xì)胞內(nèi)部的油菜素內(nèi)酯，結(jié)合后，再以正V字開(kāi)口在細(xì)胞外部打開(kāi)進(jìn)行“釋放”。

最終，孫林峰團(tuán)隊(duì)與尤金妮婭·拉西諾娃團(tuán)隊(duì)合作，在植物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)一步證實(shí)了ABCB19蛋白能夠搬運(yùn)油菜素內(nèi)酯，并且促進(jìn)油菜素內(nèi)酯發(fā)揮信號(hào)調(diào)控作用。

“我們意外地發(fā)現(xiàn)了ABCB19蛋白的這些‘隱藏功能，闡明了很多之前在表型上觀察到的差異，這讓我們可以重新審視該蛋白的生理作用。”孫林峰說(shuō)。

3、填補(bǔ)油菜素內(nèi)酯信號(hào)通路研究空白

糧食安全是“國(guó)之大者”。“植物激素的基礎(chǔ)研究有助于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)高效。”孫林峰說(shuō)。

孫林峰自2017年加入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)并建立團(tuán)隊(duì)以來(lái)，就將研究方向定為“植物激素運(yùn)輸和信號(hào)調(diào)控”。近年來(lái)，他們針對(duì)重要植物激素的運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行研究，通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)描繪了多個(gè)關(guān)鍵“搬運(yùn)工”的樣貌，并利用各種生物化學(xué)研究手段回答了它們搬運(yùn)植物激素的原理。

比如，團(tuán)隊(duì)揭示了生長(zhǎng)素“搬運(yùn)工”成員PIN1蛋白的結(jié)構(gòu)，讓人們更清晰地理解植物“向光生長(zhǎng)”等有趣的生命現(xiàn)象。

在此基礎(chǔ)上，2023年，團(tuán)隊(duì)在《植物通訊》發(fā)表了靶向PIN蛋白抑制劑的研究，發(fā)現(xiàn)消炎、鎮(zhèn)痛藥物分子萘普生可以抑制PIN蛋白的功能，這為開(kāi)發(fā)更安全、有效的農(nóng)藥提供了思路。此外，團(tuán)隊(duì)還解析了植物激素脫落酸“搬運(yùn)工”ABCG25蛋白的三維結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然——植物》。

可以說(shuō)，孫林峰團(tuán)隊(duì)一直在“死磕”植物激素研究。

此前，前五大植物激素的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，只有油菜素內(nèi)酯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是個(gè)未知數(shù)。“當(dāng)我們證實(shí)ABCB19蛋白是油菜素內(nèi)酯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白時(shí)，真的很激動(dòng)。我們的工作填補(bǔ)了油菜素內(nèi)酯信號(hào)通路的研究空白。”孫林峰說(shuō)，這也為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)針對(duì)該蛋白的小分子功能調(diào)節(jié)化合物奠定了基礎(chǔ)，為相關(guān)農(nóng)藥和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高作物產(chǎn)量提供了更多思路。

“ABCB19蛋白更偏向于轉(zhuǎn)運(yùn)油菜素內(nèi)酯而不是生長(zhǎng)素，是一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)。這為該領(lǐng)域研究作出了重大貢獻(xiàn)。”一位審稿專(zhuān)家評(píng)價(jià)道。

未來(lái)，孫林峰將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析、改造ABCB19蛋白，為人們利用油菜素內(nèi)酯促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多幫助。