油菜素內酯的首個“搬運工”找到了

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近日，中國科學技術大學教授孫林峰團隊與比利時根特大學教授尤金妮婭·拉西諾娃團隊在第六大植物激素——油菜素內酯的運輸領域取得突破性進展，他們發現了油菜素內酯首個轉運蛋白，即擬南芥ABCB19蛋白將油菜素內酯搬運到細胞外的。

這項成果填補了油菜素內酯運輸領域的關鍵空白，對研究植物的生長發育以及農業生產具有重要意義。3月22日，該研究成果發表于《科學》。

孫林峰（中）與團隊成員分析ABCB19蛋白的電鏡結構。周欣宇 攝

破解80多年未解之謎

油菜素內酯又名“蕓苔素內酯”，由于在植物中含量極低，它的鑒定過程十分漫長且艱難。

早在1941年，美國學者發現，玉米花粉提取物可以促進大豆生長，但當時并不知道具體原因。1970年，他們從油菜花粉中提取出一種活性物質，發現同樣可以促進大豆的生長，并將其命名為“油菜素”。

直到1979年，研究者們通過優化純化工藝，從227 千克油菜花粉中提取了4 毫克活性物質。他們通過X射線、質譜等手段解析了活性物質的化學結構，最終揭開了該物質的神秘面紗，將其命名為“油菜素內酯”。

隨著研究的深入，研究者們逐漸意識到油菜素內酯在植物生長調控中的重要性。1996年，學界將其列為繼生長素、脫落酸、細胞分裂素、乙烯和赤霉素之后的第六大類植物激素。

油菜素內酯在植物中含量極低，但能效卻十分顯著。“它可以調控植物的生長、開花和育種等多個方面，還可以提高植物對于干旱、鹽堿等環境以及病蟲害等脅迫的適應性，對于植物的發育和生存來說十分關鍵。”論文共同通訊作者孫林峰介紹。

油菜素內酯的施用還十分經濟實惠。只需要使用微量的油菜素內酯，就可以顯著提高經濟作物的產量。目前，已經被廣泛應用在農業生產中。

隨著生活水平的提高，人們對農產品的安全和品質提出了更高要求。孫林峰認為，油菜素內酯作為一種高效廣譜、無毒無害的新型植物生長調節劑，將具有無限廣闊的應用前景。

油菜素內酯在細胞內部進行生物合成，再被搬運到細胞外才能發揮以上作用。然而，80多年來，由誰負責搬運、運輸的過程又是什么樣，一直是個未解之謎。

在此次工作中，孫林峰團隊在做第一大類植物激素生長素的運輸蛋白過程中，意外發現了油菜素內酯首個“搬運工”——擬南芥ABCB19蛋白。

意外發現ABCB19蛋白“隱藏功能”

在此前的研究中，擬南芥ABCB19蛋白一直被視為生長素的“搬運工”，這一結果也被學術界廣泛接受。

但在此次研究中，孫林峰團隊有了新發現。

“一開始時，我們一直想要解釋ABCB19蛋白是如何結合和搬運生長素的，但是實驗發現ABCB19蛋白對于生長素的結合和搬運并不明顯。”孫林峰說，由于始終無法獲得很好的實驗結果，這項工作暫時就被擱置了。

后來，在一次與進行植物學研究的同事討論中，孫林峰得到了一些啟發。

“假設ABCB19蛋白搬運的是生長素，那么當它被破壞后，也就是它的突變體蛋白植株會出現生長素信號缺陷的特征。但是，實驗中，我們注意到，ABCB19蛋白突變體植株與其他的生長素搬運蛋白突變體植株外形表現并不一致。”孫林峰說。

于是，團隊大膽提出質疑，ABCB19蛋白是否除了搬運生長素，還可以搬運其他植物激素？

質疑權威是一個很大的挑戰，但團隊決定試一試。

一般來說，蛋白在搬運植物激素時，需要消耗能量。因此，通過監測能量消耗的情況，就能初步判斷蛋白是否和植物激素發生了反應。

團隊首先在ABCB19蛋白中加入生長素，發現并不能促進蛋白對能量的消耗。證實了蛋白沒有很好地在搬運生長素。

同樣地，團隊又一一監測了ABCB19蛋白在赤霉素、油菜素內酯等多種植物激素中的能量消耗情況。“非常意外地，我們觀察到，在油菜素內酯中，ABCB19蛋白能量消耗異常顯著。”孫林峰說。

他們建立了一套利用放射性標記追蹤物質運動狀態的體系，相當于在油菜素內酯上植入了一個“定位儀”，證明了ABCB19蛋白在人工構建的模擬細胞環境下中可以搬運油菜素內酯。

為了進一步看清ABCB19蛋白的樣貌，團隊利用冷凍電鏡技術解析了它的高分辨率三維結構，非常直觀地觀察到了ABCB19蛋白是如何結合、搬運油菜素內酯的。

ABCB19蛋白長得像一個可以雙開口的V形夾，倒V字開口“捕捉”細胞內部的油菜素內酯，結合后，再以正V字開口在細胞外部打開進行“釋放”。

最終，孫林峰團隊與尤金妮婭·拉西諾娃團隊合作，在植物細胞內進一步證實了ABCB19蛋白能夠搬運油菜素內酯，并且促進油菜素內酯發揮信號調控作用。

“這些結果令人意外地發現了ABCB19蛋白的‘隱藏功能’，也澄清了很多之前在表型上觀察到的差異，讓我們重新審視該蛋白的生理作用。”孫林峰說。

填補油菜素內酯信號通路的研究空白

糧食安全是國家重大戰略問題。孫林峰表示，“植物激素的基礎研究有助于農業的增產高效。”

孫林峰自2017年加入中國科大、建立團隊以來，就將研究方向定為“植物激素運輸和信號調控”。近年來，他們針對重要植物激素的運輸過程進行研究，通過冷凍電鏡技術揭開了多個關鍵“搬運工”的樣貌，并利用各種生物化學研究手段回答了它們搬運植物激素的原理。

比如，團隊揭示了生長素“搬運工”成員PIN1蛋白結構，為植物“向光生長”等有趣的生命現象提供了更清晰的認識，研究成果于2022年8月2日發表在《自然》上。

在此基礎上，團隊還進行了靶向PIN蛋白抑制劑的研究，發現消炎、鎮痛藥物分子萘普生可以抑制PIN蛋白的功能，這為開發更安全、有效的農藥提供了思路，成果于2023年7月發表在《植物通訊》上。2023年，團隊又解析了植物激素脫落酸“搬運工”ABCG25蛋白的三維結構，研究成果發表于《自然-植物》。

可以說，孫林峰團隊一直在“死磕”植物激素研究。

截至此次研究成果發布之前，前五大植物激素的轉運蛋白都被研究者們發現過了，只有油菜素內酯轉運蛋白是個未知數。“當我們證實ABCB19蛋白是油菜素內酯轉運蛋白時，真的很激動。我們的工作填補了油菜素內酯信號通路的研究空白。”孫林峰說，

“ABCB19蛋白更偏向于轉運油菜素內酯而不是生長素，是一個有趣的發現，對于該領域研究做出了重大貢獻。”一位審稿專家如是評價道。

未來，孫林峰將帶領團隊進一步分析、改造ABCB19蛋白，為人們理解利用油菜素內酯、促進農業生產提供更多幫助。同時，這也為設計開發針對該蛋白的小分子功能調節化合物奠定了基礎，作為農藥和植物生長調節劑用于農業生產、提高作物產量提供更多思路。