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轉(zhuǎn)運分子機制被揭示 葫蘆素護瓜不只有“苦肉計”這一招

2022-08-24 14:30:56

來源:科技日報

  植物無法移動,因此在長期演化過程中,形成了一類三萜化合物,其在植物與環(huán)境互作過程中,發(fā)揮著吸引蟲媒、防御病害天敵以及信號傳遞等重要作用。目前已發(fā)現(xiàn)的植物三萜化合物超過2萬種。對人類而言,它們是藥物、保健品及化妝品的重要來源。

  近日,云南師范大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等多家單位共同完成的一項研究,解析了葫蘆科瓜類作物中的一種三萜化合物——葫蘆素的轉(zhuǎn)運分子機制;同時,還發(fā)現(xiàn)植物通過從根表皮細(xì)胞外排葫蘆素,來改變根際微生物群落組成,進而提高對植物枯萎病的抗性。相關(guān)研究論文在線發(fā)表于著名國際期刊《自然·植物》。

  高價值葫蘆素原料獲取難度大

  在吃黃瓜時,人們常會在瓜的兩頭嘗到一股難言的苦意,這就是葫蘆素在“作怪”。

  在前期研究中,團隊針對葫蘆素生物合成、調(diào)控、馴化及結(jié)構(gòu)多樣性等方面展開了系統(tǒng)性研究,在葫蘆科瓜類作物——黃瓜、甜瓜、西瓜中發(fā)現(xiàn)了3個葫蘆素合成基因簇,共涉及21個基因。團隊還發(fā)現(xiàn)了直接調(diào)控葫蘆素合成基因簇的6個轉(zhuǎn)錄因子,其中發(fā)生在果實葫蘆素調(diào)控基因Bt啟動子上的突變,是人類馴化葫蘆科瓜類作物果實苦味性狀的關(guān)鍵。

  一方面,葫蘆素可以有效抵御昆蟲和其他動物的啃食,在維持植物的生存、繁衍中發(fā)揮著不可或缺的作用;另一方面,此前的研究表明,葫蘆素具有很好的抗蟲、保肝、消炎、抗癌等功效。

  “但由于葫蘆素獲取難度大,制約了它的廣泛應(yīng)用。”論文共同通訊作者之一的云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院教授尚軼告訴科技日報記者。因此,闡明其合成、調(diào)控及運輸機理,不僅將為作物品質(zhì)與抗性育種提供分子靶標(biāo),也是利用合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)這些植物天然產(chǎn)物商業(yè)價值的前提。

  目前,絕大多數(shù)研究集中于解析植物三萜化合物的合成及調(diào)控機制,而關(guān)于植物三萜化合物轉(zhuǎn)運機制的研究較少,相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白也未見報道。

  葫蘆素“借刀殺人”對付有害菌

  與人的腸道微生物群類似,根際微生物組往往被稱為植物的“第二基因組”,可影響其根系生長發(fā)育、根系對生物和非生物的抗性以及根系對營養(yǎng)的攝取等過程。

  近年來,人們發(fā)現(xiàn)植物根系產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物在選擇性塑造根際微生物組方面發(fā)揮著重要作用,然而這些代謝產(chǎn)物從根系轉(zhuǎn)運到根際土壤及其調(diào)控根際微生物組的作用機制并不清楚。

  “甜瓜、西瓜中的葫蘆素首先在根表皮細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中合成。”尚軼說。隨后,葫蘆素被錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上的MATE轉(zhuǎn)運蛋白捕獲,并被轉(zhuǎn)運至植物“體外”,最后進入土壤中。尚軼說,研究團隊首先利用水培方式,發(fā)現(xiàn)甜瓜和西瓜根部可以向營養(yǎng)液中分泌葫蘆素B和葫蘆素E;在土壤中種植瓜類作物,其根際土壤中也檢測到大量的葫蘆素。

  “瓜類作物的根部合成葫蘆素等三萜化合物,需要消耗很多能量,但合成后卻將其外排到土壤中,看起來是一種資源‘浪費’,但這其中必有道理。”尚軼說,深入研究后,他們發(fā)現(xiàn),實際上甜瓜向土壤中外排葫蘆素B,是為了提高自身的抗性。

  鐮刀菌廣布自然界,是一種能引起小麥、水稻和蔬菜病害的真菌。研究團隊研究發(fā)現(xiàn),葫蘆素B對土傳病原菌——鐮刀菌并沒有直接殺傷力,因此他們推測葫蘆素B可能間接影響了根際鐮刀菌豐度。

  “通過分析根際微生物及宏基因組測序數(shù)據(jù),并結(jié)合體外生化實驗驗證,我們發(fā)現(xiàn)甜瓜根系分泌的葫蘆素B可作為碳源誘導(dǎo)根際腸桿菌生長,而腸桿菌又可促進拮抗細(xì)菌——芽孢桿菌富集,芽孢桿菌可以對鐮刀菌產(chǎn)生抗性,從而建立起植物的防御機制。”論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院副教授荀衛(wèi)兵說。

  新發(fā)現(xiàn)帶來作物選育新思路

  研究人員對瓜類植物天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)運機制,以及轉(zhuǎn)運蛋白如何調(diào)控植物根際微生物組的研究,為深入開發(fā)利用瓜類植物的潛能,提供了新的思路。

  “此前,對葫蘆素調(diào)控機制的解析,為利用葫蘆素抗蟲的特性培育優(yōu)質(zhì)新品種提供了分子靶標(biāo)。”尚軼說,黃瓜育種專家已利用這一機制培育出“葉苦抗蟲、果實不苦”的優(yōu)質(zhì)新品種,解決我國華南地區(qū)黃瓜易變苦的難題,相關(guān)成果獲得了2018年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

  此外,葫蘆素合成機制的解析,為利用合成生物學(xué)技術(shù)異源高效合成葫蘆素提供了先決條件。在此基礎(chǔ)上,葫蘆素轉(zhuǎn)運蛋白的發(fā)現(xiàn),將進一步加速葫蘆素合成生物學(xué)研究。“通過轉(zhuǎn)運蛋白實現(xiàn)或加速葫蘆素定向胞外運輸,從而降低其對細(xì)胞生長的負(fù)擔(dān)或毒性,有利于提高葫蘆素產(chǎn)量,同時也可以簡化葫蘆素的純化流程。”尚軼說。

  此項研究,也有助于提高葫蘆素在有害生物綜合治理中的應(yīng)用前景。(本報記者 趙漢斌)

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