近日，中国科学技术大学教授孙林峰团队与比利时根特大学教授尤金妮娅·拉西诺娃团队在第六大植物激素——油菜素内酯的运输领域取得突破性进展，他们发现了油菜素内酯首个转运蛋白，即拟南芥ABCB19蛋白将油菜素内酯搬运到细胞外的。
这项成果填补了油菜素内酯运输领域的关键空白，对研究植物的生长发育以及农业生产具有重要意义。3月22日，该研究成果发表于《科学》。
孙林峰（中）与团队成员分析ABCB19蛋白的电镜结构。周欣宇 摄
破解80多年未解之谜
油菜素内酯又名“芸苔素内酯”，由于在植物中含量极低，它的鉴定过程十分漫长且艰难。
早在1941年，美国学者发现，玉米花粉提取物可以促进大豆生长，但当时并不知道具体原因。1970年，他们从油菜花粉中提取出一种活性物质，发现同样可以促进大豆的生长，并将其命名为“油菜素”。
直到1979年，研究者们通过优化纯化工艺，从227 千克油菜花粉中提取了4 毫克活性物质。他们通过X射线、质谱等手段解析了活性物质的化学结构，最终揭开了该物质的神秘面纱，将其命名为“油菜素内酯”。
随着研究的深入，研究者们逐渐意识到油菜素内酯在植物生长调控中的重要性。1996年，学界将其列为继生长素、脱落酸、细胞分裂素、乙烯和赤霉素之后的第六大类植物激素。
油菜素内酯在植物中含量极低，但能效却十分显著。“它可以调控植物的生长、开花和育种等多个方面，还可以提高植物对于干旱、盐碱等环境以及病虫害等胁迫的适应性，对于植物的发育和生存来说十分关键。”论文共同通讯作者孙林峰介绍。
油菜素内酯的施用还十分经济实惠。只需要使用微量的油菜素内酯，就可以显著提高经济作物的产量。目前，已经被广泛应用在农业生产中。
随着生活水平的提高，人们对农产品的安全和品质提出了更高要求。孙林峰认为，油菜素内酯作为一种高效广谱、无毒无害的新型植物生长调节剂，将具有无限广阔的应用前景。
油菜素内酯在细胞内部进行生物合成，再被搬运到细胞外才能发挥以上作用。然而，80多年来，由谁负责搬运、运输的过程又是什么样，一直是个未解之谜。
在此次工作中，孙林峰团队在做第一大类植物激素生长素的运输蛋白过程中，意外发现了油菜素内酯首个“搬运工”——拟南芥ABCB19蛋白。
意外发现ABCB19蛋白“隐藏功能”
在此前的研究中，拟南芥ABCB19蛋白一直被视为生长素的“搬运工”，这一结果也被学术界广泛接受。
但在此次研究中，孙林峰团队有了新发现。
“一开始时，我们一直想要解释ABCB19蛋白是如何结合和搬运生长素的，但是实验发现ABCB19蛋白对于生长素的结合和搬运并不明显。”孙林峰说，由于始终无法获得很好的实验结果，这项工作暂时就被搁置了。
后来，在一次与进行植物学研究的同事讨论中，孙林峰得到了一些启发。
“假设ABCB19蛋白搬运的是生长素，那么当它被破坏后，也就是它的突变体蛋白植株会出现生长素信号缺陷的特征。但是，实验中，我们注意到，ABCB19蛋白突变体植株与其他的生长素搬运蛋白突变体植株外形表现并不一致。”孙林峰说。
于是，团队大胆提出质疑，ABCB19蛋白是否除了搬运生长素，还可以搬运其他植物激素？
质疑权威是一个很大的挑战，但团队决定试一试。
一般来说，蛋白在搬运植物激素时，需要消耗能量。因此，通过监测能量消耗的情况，就能初步判断蛋白是否和植物激素发生了反应。
团队首先在ABCB19蛋白中加入生长素，发现并不能促进蛋白对能量的消耗。证实了蛋白没有很好地在搬运生长素。
同样地，团队又一一监测了ABCB19蛋白在赤霉素、油菜素内酯等多种植物激素中的能量消耗情况。“非常意外地，我们观察到，在油菜素内酯中，ABCB19蛋白能量消耗异常显著。”孙林峰说。
他们建立了一套利用放射性标记追踪物质运动状态的体系，相当于在油菜素内酯上植入了一个“定位仪”，证明了ABCB19蛋白在人工构建的模拟细胞环境下中可以搬运油菜素内酯。
为了进一步看清ABCB19蛋白的样貌，团队利用冷冻电镜技术解析了它的高分辨率三维结构，非常直观地观察到了ABCB19蛋白是如何结合、搬运油菜素内酯的。
ABCB19蛋白长得像一个可以双开口的V形夹，倒V字开口“捕捉”细胞内部的油菜素内酯，结合后，再以正V字开口在细胞外部打开进行“释放”。
最终，孙林峰团队与尤金妮娅·拉西诺娃团队合作，在植物细胞内进一步证实了ABCB19蛋白能够搬运油菜素内酯，并且促进油菜素内酯发挥信号调控作用。
“这些结果令人意外地发现了ABCB19蛋白的‘隐藏功能’，也澄清了很多之前在表型上观察到的差异，让我们重新审视该蛋白的生理作用。”孙林峰说。
填补油菜素内酯信号通路的研究空白
粮食安全是国家重大战略问题。孙林峰表示，“植物激素的基础研究有助于农业的增产高效。”
孙林峰自2017年加入中国科大、建立团队以来，就将研究方向定为“植物激素运输和信号调控”。近年来，他们针对重要植物激素的运输过程进行研究，通过冷冻电镜技术揭开了多个关键“搬运工”的样貌，并利用各种生物化学研究手段回答了它们搬运植物激素的原理。
比如，团队揭示了生长素“搬运工”成员PIN1蛋白结构，为植物“向光生长”等有趣的生命现象提供了更清晰的认识，研究成果于2022年8月2日发表在《自然》上。
在此基础上，团队还进行了靶向PIN蛋白抑制剂的研究，发现消炎、镇痛药物分子萘普生可以抑制PIN蛋白的功能，这为开发更安全、有效的农药提供了思路，成果于2023年7月发表在《植物通讯》上。2023年，团队又解析了植物激素脱落酸“搬运工”ABCG25蛋白的三维结构，研究成果发表于《自然-植物》。
可以说，孙林峰团队一直在“死磕”植物激素研究。
截至此次研究成果发布之前，前五大植物激素的转运蛋白都被研究者们发现过了，只有油菜素内酯转运蛋白是个未知数。“当我们证实ABCB19蛋白是油菜素内酯转运蛋白时，真的很激动。我们的工作填补了油菜素内酯信号通路的研究空白。”孙林峰说，
“ABCB19蛋白更偏向于转运油菜素内酯而不是生长素，是一个有趣的发现，对于该领域研究做出了重大贡献。”一位审稿专家如是评价道。
未来，孙林峰将带领团队进一步分析、改造ABCB19蛋白，为人们理解利用油菜素内酯、促进农业生产提供更多帮助。同时，这也为设计开发针对该蛋白的小分子功能调节化合物奠定了基础，作为农药和植物生长调节剂用于农业生产、提高作物产量提供更多思路。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adj4591
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