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      2. 加快打造原始創新策源地,加快突破關鍵核心技術,努力搶占科技制高點,為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

        ——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

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        【中國科學報】第六大植物激素的首個“搬運工”現身

        2024-03-22 中國科學報 王敏
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        語音播報

        孫林峰(前排中)與團隊成員分析ABCB19蛋白的電鏡結構。周欣宇/攝

        油菜素內酯被學界列為第六大植物激素,在植物生長調控中發揮著重要作用。在細胞內部進行生物合成的油菜素內酯,需要被搬運到細胞外才能發揮作用。但是,自其被發現的80多年來,誰負責搬運、其運輸過程是怎樣的,一直是未解之謎。

        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·拉西諾娃團隊合作,在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——ABCB19蛋白,它可以將油菜素內酯搬運到細胞外。該成果填補了油菜素內酯運輸領域的關鍵空白,對研究植物生長發育以及農業生產具有重要意義。相關研究成果近日發表于《科學》。

        能效顯著的油菜素內酯

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

        早在1941年,美國學者就發現玉米花粉提取物可以促進大豆生長,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,發現它同樣可以促進大豆的生長,并將其命名為“油菜素”。

        1979年,研究人員通過優化純化工藝,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,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,研究人員逐漸意識到油菜素內酯在植物生長調控中的重要性,于是1996年,繼生長素、脫落酸、細胞分裂素、乙烯和赤霉素之后,學界將油菜素內酯列為第六大類植物激素。

        雖然油菜素內酯在植物中含量極低,但能效十分顯著?!八梢哉{控植物的生長、開花和育種等多個方面,還可以提高植物對干旱、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十分關鍵?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡邔O林峰介紹,施用油菜素內酯經濟實惠,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,該方法已被廣泛應用在農業生產中。

        隨著生活水平提高,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,具有廣闊的應用前景。

        意外發現ABCB19蛋白“隱藏功能”

        解開油菜素內酯搬運之謎,對于孫林峰團隊來說是個“意外”。當時團隊在研究第一大類植物激素——生長素的運輸蛋白,在此過程中,他們意外發現ABCB19蛋白是油菜素內酯的“搬運工”。

        事實上,ABCB19蛋白是個搬運“老手”,它一直被視為生長素的“搬運工”,而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,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?!睂O林峰說,由于始終無法獲得很好的實驗結果,這項工作被暫時擱置。

        后來,在一次與開展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?!睂O林峰說。

        于是,團隊大膽猜測:ABCB19蛋白除了搬運生長素外,是否還搬運其他植物激素。

        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搬運生長素。

        同樣的,團隊又分別監測了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?!拔覀円馔獾赜^察到,在油菜素內酯中,ABCB19蛋白能量消耗異常顯著?!睂O林峰說。

        研究團隊建立了利用放射性標記追蹤物質運動狀態的體系,這相當于給油菜素內酯植入了一個“定位儀”,并利用其證明了ABCB19蛋白在人工構建的模擬細胞環境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得到高分辨率三維結構,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。

        “我們意外地發現了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?!睂O林峰說。

        填補油菜素內酯信號通路研究空白

        糧食安全是“國之大者”?!爸参锛に氐幕A研究有助于農業增產高效?!睂O林峰說。

        孫林峰自2017年加入中國科學技術大學并建立團隊以來,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,通過冷凍電鏡技術描繪了多個關鍵“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蛋白的結構,讓人們更清晰地理解植物“向光生長”等有趣的生命現象。相關研究成果于2022年8月2日發表在《自然》上。

        在此基礎上,2023年,團隊在《植物通訊》發表了靶向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。此外,團隊還解析了植物激素脫落酸“搬運工”ABCG25蛋白的三維結構。相關研究成果發表于《自然-植物》。

        可以說,孫林峰團隊一直在“死磕”植物激素研究。

        此前,前五大植物激素的轉運蛋白已經被發現,只有油菜素內酯轉運蛋白是個未知數?!爱斘覀冏C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?!睂O林峰說,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,為相關農藥和植物生長調節劑用于農業生產、提高作物產量提供了更多思路。

        “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。這為該領域研究作出了重大貢獻?!币晃粚徃鍖<以u價道。

        未來,孫林峰將帶領團隊進一步分析、改造ABCB19蛋白,為人們利用油菜素內酯促進農業生產提供更多幫助。

        相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.adj4591

        (原載于《中國科學報》?2024-03-22?第1版?要聞)
        打印 責任編輯:梁春雨

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