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)部孫林峰團隊聯(lián)合比利時根特大學(xué)Eugenia Russinova團隊的研究突破，題為“Structure and function of the Arabidopsis ABC transporter ABCB19 in brassinosteroid export”。該研究中，團隊鑒定了植物中首個油菜素甾醇（Brassinosteroid，BR）跨膜運輸?shù)鞍祝磾M南芥ABCB19蛋白，并闡釋了該蛋白的工作機制。這項成果填補了BR激素信號研究領(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Mitchell等人發(fā)現(xiàn)玉米花粉提取物可以促進大豆第二節(jié)間和細胞的伸長，但是當時并不知道具體原因。1970年，他們從油菜花粉中粗提出一種活性物質(zhì)，可以促進大豆的節(jié)間伸長，將其命名為“油菜素（brassins）”，當時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植物生長，生物活性相當高。因此，BR的施用十分經(jīng)濟實惠，只需要微量的BR處理就可以顯著提高作物產(chǎn)量，增強免疫力和抗逆性，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、代謝以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程已經(jīng)有了一定研究。BR在細胞內(nèi)部進行生物合成，但是卻在細胞外被受體識別，從而引發(fā)下游信號。由于在合成過程中，BR分子被加上多個親水基團，導(dǎo)致其直接通過擴散作用跨越細胞膜屏障的能力下降。它是如何從細胞內(nèi)運輸至細胞外發(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)典的生長素運輸?shù)鞍淄蛔凅w的表型并不完全一致。并且通過研究團隊的前期實驗發(fā)現(xiàn)，生長素并不能像底物一樣顯著促進ABCB19蛋白的ATP酶活性。因此，團隊大膽懷疑ABCB19是否具有其它運輸?shù)孜铮?/p>

團隊為此建立了基于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ABCB19蛋白的ATP酶活性。同時，團隊也建立了一套基于脂質(zhì)體和放射性標記底物的轉(zhuǎn)運體系，證明了ABCB19蛋白在脂質(zhì)體中能轉(zhuǎn)運BR分子。為了看清ABCB19蛋白的樣貌，團隊利用冷凍電鏡技術(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。進一步的，孫林峰團隊與Eugenia Russinova團隊深度合作，利用植物遺傳學(xué)、生理學(xué)手段，在植物細胞內(nèi)證實了ABCB19蛋白能夠向細胞外外排BR分子，并且正向調(diào)控植物的BR信號。這些結(jié)果證實了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信號調(diào)控。

綜上，這項研究成果鑒定了植物中首個BR轉(zhuǎn)運蛋白ABCB19，系統(tǒng)揭示了ABCB19識別、運輸油菜素內(nèi)酯的分子過程，填補了BR信號通路的研究空白。未來針對該家族蛋白的進一步功能分析和改造，將為我們理解、利用BR信號促進農(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，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)孫林峰團隊一直致力于對植物激素運輸過程的研究。2022年，團隊報道了植物中生長素極性轉(zhuǎn)運蛋白PIN1的高分辨率結(jié)構(gòu)，并結(jié)合功能實驗闡釋了PIN1蛋白的工作機制（Nature，2022）；2023年，解析了植物首個脫落酸外排蛋白ABCG25的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)闡釋了ABCG25蛋白轉(zhuǎn)運脫落酸的過程（Nature Plants，2023）。團隊針對油菜素甾醇轉(zhuǎn)運蛋白ABCB19的工作，是在植物激素運輸研究領(lǐng)域的另一項重要成果。