2024年3月22日,，Science雜志發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部孫林峰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合比利時(shí)根特大學(xué)Eugenia Russinova團(tuán)隊(duì)的研究突破,，題為“Structure and function of the Arabidopsis ABC transporter ABCB19 in brassinosteroid export”,。該研究中,，團(tuán)隊(duì)鑒定了植物中首個(gè)油菜素甾醇（Brassinosteroid，BR）跨膜運(yùn)輸?shù)鞍?，即擬南芥ABCB19蛋白,，并闡釋了該蛋白的工作機(jī)制。這項(xiàng)成果填補(bǔ)了BR激素信號(hào)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵空白,，對理解BR激素調(diào)控植物生長發(fā)育具有重要意義,。
油菜素甾醇類激素是繼生長素、脫落酸,、細(xì)胞分裂素、乙烯和赤霉素之后發(fā)現(xiàn)的第六大類植物激素,。BR的鑒定過程十分漫長且艱難,。早在1941年，美國學(xué)者M(jìn)itchell等人發(fā)現(xiàn)玉米花粉提取物可以促進(jìn)大豆第二節(jié)間和細(xì)胞的伸長,，但是當(dāng)時(shí)并不知道具體原因,。1970年，他們從油菜花粉中粗提出一種活性物質(zhì),，可以促進(jìn)大豆的節(jié)間伸長,，將其命名為“油菜素（brassins）”，當(dāng)時(shí)猜測這可能是某種脂肪酸,。直到1979年,，Grove等人優(yōu)化純化工藝，從227 kg蜜蜂采集的油菜花粉中提取了4mg活性物質(zhì),，并通過X-射線及質(zhì)譜等手段確定了化學(xué)結(jié)構(gòu),，最終揭開了該物質(zhì)的神秘面紗。原來它是一種甾醇類物質(zhì),，甾環(huán)中含有一個(gè)酯基,，故將其命名為“油菜素內(nèi)酯（也稱蕓苔素內(nèi)酯）”，這也是植物中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)甾醇類激素,。
隨著BR受體以及合成酶等突變體的鑒定和發(fā)現(xiàn),，研究者們逐漸意識(shí)到BR在植物生長調(diào)控中的重要性，并在1996年將其列為第六大類植物激素,。迄今為止,，至少已從植物中分離出60多種天然油菜素甾醇激素化合物，這些化合物統(tǒng)稱為油菜素甾醇BR,。BR可以調(diào)控植物體的生長,、開花和結(jié)果等多個(gè)方面,，還可以提高植物對于干旱、鹽堿等環(huán)境以及病蟲害等脅迫的適應(yīng)性,。BR在極低濃度下就可以促進(jìn)植物生長,，生物活性相當(dāng)高。因此,，BR的施用十分經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,，只需要微量的BR處理就可以顯著提高作物產(chǎn)量，增強(qiáng)免疫力和抗逆性,，目前已經(jīng)在農(nóng)業(yè)中有著廣泛應(yīng)用,。隨著城鄉(xiāng)人民生活水平的提高，人們對農(nóng)產(chǎn)品的安全和品質(zhì)提出了更高要求,，這就給BR及BR類似物這類高效廣譜,、無毒害作用的新型植物生產(chǎn)調(diào)節(jié)劑帶來了廣闊的發(fā)展空間和前景。
BR分子通過其信號(hào)通路發(fā)揮調(diào)節(jié)作用,。目前,，關(guān)于BR的合成、代謝以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程已經(jīng)有了一定研究,。BR在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行生物合成,，但是卻在細(xì)胞外被受體識(shí)別，從而引發(fā)下游信號(hào),。由于在合成過程中,，BR分子被加上多個(gè)親水基團(tuán)，導(dǎo)致其直接通過擴(kuò)散作用跨越細(xì)胞膜屏障的能力下降,。它是如何從細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸至細(xì)胞外發(fā)揮作用的,，這一過程仍然未知，也是BR研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題,。
擬南芥ABCB19蛋白最初被作為另一種重要的植物激素,，生長素的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被鑒定，并被領(lǐng)域內(nèi)廣泛接受,。但是其突變體植株的表型與經(jīng)典的生長素運(yùn)輸?shù)鞍淄蛔凅w的表型并不完全一致,。并且通過研究團(tuán)隊(duì)的前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生長素并不能像底物一樣顯著促進(jìn)ABCB19蛋白的ATP酶活性,。因此,，團(tuán)隊(duì)大膽懷疑ABCB19是否具有其它運(yùn)輸?shù)孜铮?/p>
團(tuán)隊(duì)為此建立了基于ATP酶活性檢測的底物篩選策略，意外發(fā)現(xiàn)在測試的多種植物激素中,，BR分子能夠顯著促進(jìn)ABCB19蛋白的ATP酶活性,。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也建立了一套基于脂質(zhì)體和放射性標(biāo)記底物的轉(zhuǎn)運(yùn)體系，證明了ABCB19蛋白在脂質(zhì)體中能轉(zhuǎn)運(yùn)BR分子,。為了看清ABCB19蛋白的樣貌,，團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)解析了它的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)非常直觀的觀察到了ABCB19蛋白是如何結(jié)合,、“裝載”BR分子的,。進(jìn)一步的，孫林峰團(tuán)隊(duì)與Eugenia Russinova團(tuán)隊(duì)深度合作,，利用植物遺傳學(xué),、生理學(xué)手段，在植物細(xì)胞內(nèi)證實(shí)了ABCB19蛋白能夠向細(xì)胞外外排BR分子,，并且正向調(diào)控植物的BR信號(hào),。這些結(jié)果證實(shí)了ABCB19的“隱藏功能”，讓我們重新審視該蛋白的生理作用,。
圖.擬南芥ABCB19蛋白參與BR信號(hào)調(diào)控,。
綜上，這項(xiàng)研究成果鑒定了植物中首個(gè)BR轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCB19,，系統(tǒng)揭示了ABCB19識(shí)別,、運(yùn)輸油菜素內(nèi)酯的分子過程，填補(bǔ)了BR信號(hào)通路的研究空白,。未來針對該家族蛋白的進(jìn)一步功能分析和改造，將為我們理解,、利用BR信號(hào)促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多幫助,。這也為靶向該蛋白的小分子化合物的開發(fā)設(shè)計(jì)，以期作為農(nóng)藥和植物生長調(diào)節(jié)劑用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),，提高作物產(chǎn)量和抗逆性提供更多思路,。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫林峰團(tuán)隊(duì)一直致力于對植物激素運(yùn)輸過程的研究。2022年,，團(tuán)隊(duì)報(bào)道了植物中生長素極性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN1的高分辨率結(jié)構(gòu),，并結(jié)合功能實(shí)驗(yàn)闡釋了PIN1蛋白的工作機(jī)制（Nature，2022）,；2023年,，解析了植物首個(gè)脫落酸外排蛋白ABCG25的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡釋了ABCG25蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)脫落酸的過程（Nature Plants,，2023）,。團(tuán)隊(duì)針對油菜素甾醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCB19的工作，是在植物激素運(yùn)輸研究領(lǐng)域的另一項(xiàng)重要成果,。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部博士研究生應(yīng)偉和魏宏,，以及比利時(shí)根特大學(xué)Yaowei Wang、YongmingLuo為該論文共同第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部劉欣副教授,、孫林峰教授和比利時(shí)根特大學(xué)Eugenia Russinova教授為共同通訊作者,。中國科大生醫(yī)部譚樹堂教授、奧地利ISTA研究所Ji?í Friml教授,，以及中國科大冷凍電鏡中心高永翔博士等參與了該項(xiàng)研究工作并提供了重要幫助,。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)基金（B類）,、安徽省自然科學(xué)基金,、中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助,，以及教育部無膜細(xì)胞器與細(xì)胞動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、生物醫(yī)學(xué)與健康安徽省實(shí)驗(yàn)室等的大力支持,。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adj4591
（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部,、科研部）
