2024年3月22日，Science雜志發(fā)表了中國(guó)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)鞍祝磾M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(duì)理解BR激素調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義。
油菜素甾醇類(lèi)激素是繼生長(zhǎng)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(lèi)植物激素。BR的鑒定過(guò)程十分漫長(zhǎng)且艱難。早在1941年，美國(guó)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(zhǎng)，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(zhǎng)，將其命名為“油菜素（brassins）”，當(dāng)時(shí)猜測(cè)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(guò)X-射線(xiàn)及質(zhì)譜等手段確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)，最終揭開(kāi)了該物質(zhì)的神秘面紗。原來(lái)它是一種甾醇類(lèi)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(chēng)蕓苔素內(nèi)酯）”，這也是植物中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)甾醇類(lèi)激素。
隨著B(niǎo)R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(zhǎng)調(diào)控中的重要性，并在1996年將其列為第六大類(lèi)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(chēng)為油菜素甾醇BR。BR可以調(diào)控植物體的生長(zhǎng)、開(kāi)花和結(jié)果等多個(gè)方面，還可以提高植物對(duì)于干旱、鹽堿等環(huán)境以及病蟲(chóng)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(zhǎng)，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(duì)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(lèi)似物這類(lèi)高效廣譜、無(wú)毒害作用的新型植物生產(chǎn)調(diào)節(jié)劑帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間和前景。
BR分子通過(guò)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(guò)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(guò)程中，BR分子被加上多個(gè)親水基團(tuán)，導(dǎo)致其直接通過(guò)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(guò)程仍然未知，也是BR研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。
擬南芥ABCB19蛋白最初被作為另一種重要的植物激素，生長(zhǎng)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(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)鞍淄蛔凅w的表型并不完全一致。并且通過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)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?br>
團(tuán)隊(duì)為此建立了基于ATP酶活性檢測(cè)的底物篩選策略，意外發(fā)現(xiàn)在測(cè)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(guān)的觀(guān)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。
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(guò)程，填補(bǔ)了BR信號(hào)通路的研究空白。未來(lái)針對(duì)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，以期作為農(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)量和抗逆性提供更多思路。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫林峰團(tuán)隊(duì)一直致力于對(duì)植物激素運(yùn)輸過(guò)程的研究。2022年，團(tuán)隊(duì)報(bào)道了植物中生長(zhǎng)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(guò)程（Nature Plants，2023）。團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)科大生醫(yī)部譚樹(shù)堂教授、奧地利ISTA研究所Ji?í Friml教授，以及中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)基金（B類(lèi)）、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金及中國(guó)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(zhuān)項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助，以及教育部無(wú)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(guó)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
日期：2024-03-25
油菜素甾醇類(lèi)激素是繼生長(zhǎng)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(lèi)植物激素。BR的鑒定過(guò)程十分漫長(zhǎng)且艱難。早在1941年，美國(guó)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(zhǎng)，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(zhǎng)，將其命名為“油菜素（brassins）”，當(dāng)時(shí)猜測(cè)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(guò)X-射線(xiàn)及質(zhì)譜等手段確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)，最終揭開(kāi)了該物質(zhì)的神秘面紗。原來(lái)它是一種甾醇類(lèi)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(chēng)蕓苔素內(nèi)酯）”，這也是植物中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)甾醇類(lèi)激素。
隨著B(niǎo)R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(zhǎng)調(diào)控中的重要性，并在1996年將其列為第六大類(lèi)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(chēng)為油菜素甾醇BR。BR可以調(diào)控植物體的生長(zhǎng)、開(kāi)花和結(jié)果等多個(gè)方面，還可以提高植物對(duì)于干旱、鹽堿等環(huán)境以及病蟲(chóng)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(zhǎng)，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(duì)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(lèi)似物這類(lèi)高效廣譜、無(wú)毒害作用的新型植物生產(chǎn)調(diào)節(jié)劑帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間和前景。
BR分子通過(guò)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(guò)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(guò)程中，BR分子被加上多個(gè)親水基團(tuán)，導(dǎo)致其直接通過(guò)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(guò)程仍然未知，也是BR研究領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。
擬南芥ABCB19蛋白最初被作為另一種重要的植物激素，生長(zhǎng)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(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)鞍淄蛔凅w的表型并不完全一致。并且通過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)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?br>
團(tuán)隊(duì)為此建立了基于ATP酶活性檢測(cè)的底物篩選策略，意外發(fā)現(xiàn)在測(cè)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(guān)的觀(guān)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。
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(guò)程，填補(bǔ)了BR信號(hào)通路的研究空白。未來(lái)針對(duì)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，以期作為農(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)量和抗逆性提供更多思路。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫林峰團(tuán)隊(duì)一直致力于對(duì)植物激素運(yùn)輸過(guò)程的研究。2022年，團(tuán)隊(duì)報(bào)道了植物中生長(zhǎng)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(guò)程（Nature Plants，2023）。團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)科大生醫(yī)部譚樹(shù)堂教授、奧地利ISTA研究所Ji?í Friml教授，以及中國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)基金（B類(lèi)）、安徽省自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金及中國(guó)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(zhuān)項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助，以及教育部無(wú)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(guó)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
日期：2024-03-25
