中国科大在植物激素油菜素内酯运输领域取得重要进展

2024年3月22日，Science杂志发表了中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰团队联合比利时根特大学Eugenia Russinova团队的研究突破，题为“Structure and function of the Arabidopsis ABC transporter ABCB19 in brassinosteroid export”。该研究中，团队鉴定了植物中首个油菜素甾醇（Brassinosteroid，BR）跨膜运输蛋白，即拟南芥ABCB19蛋白，并阐释了该蛋白的工作机制。这项成果填补了BR激素信号研究领域的关键空白，对理解BR激素调控植物生长发育具有重要意义。

油菜素甾醇类激素是继生长素、脱落酸、细胞分裂素、乙烯和赤霉素之后发现的第六大类植物激素。BR的鉴定过程十分漫长且艰难。早在1941年，美国学者Mitchell等人发现玉米花粉提取物可以促进大豆第二节间和细胞的伸长，但是当时并不知道具体原因。1970年，他们从油菜花粉中粗提出一种活性物质，可以促进大豆的节间伸长，将其命名为“油菜素（brassins）”，当时猜测这可能是某种脂肪酸。直到1979年，Grove等人优化纯化工艺，从227 kg蜜蜂采集的油菜花粉中提取了4mg活性物质，并通过X-射线及质谱等手段确定了化学结构，最终揭开了该物质的神秘面纱。原来它是一种甾醇类物质，甾环中含有一个酯基，故将其命名为“油菜素内酯（也称芸苔素内酯）”，这也是植物中发现的第一个甾醇类激素。

随着BR受体以及合成酶等突变体的鉴定和发现，研究者们逐渐意识到BR在植物生长调控中的重要性，并在1996年将其列为第六大类植物激素。迄今为止，至少已从植物中分离出60多种天然油菜素甾醇激素化合物，这些化合物统称为油菜素甾醇BR。BR可以调控植物体的生长、开花和结果等多个方面，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。BR在极低浓度下就可以促进植物生长，生物活性相当高。因此，BR的施用十分经济实惠，只需要微量的BR处理就可以显著提高作物产量，增强免疫力和抗逆性，目前已经在农业中有着广泛应用。随着城乡人民生活水平的提高，人们对农产品的安全和品质提出了更高要求，这就给BR及BR类似物这类高效广谱、无毒害作用的新型植物生产调节剂带来了广阔的发展空间和前景。

BR分子通过其信号通路发挥调节作用。目前，关于BR的合成、代谢以及信号转导过程已经有了一定研究。BR在细胞内部进行生物合成，但是却在细胞外被受体识别，从而引发下游信号。由于在合成过程中，BR分子被加上多个亲水基团，导致其直接通过扩散作用跨越细胞膜屏障的能力下降。它是如何从细胞内运输至细胞外发挥作用的，这一过程仍然未知，也是BR研究领域亟待解决的科学问题。

拟南芥ABCB19蛋白最初被作为另一种重要的植物激素，生长素的转运蛋白被鉴定，并被领域内广泛接受。但是其突变体植株的表型与经典的生长素运输蛋白突变体的表型并不完全一致。并且通过研究团队的前期实验发现，生长素并不能像底物一样显著促进ABCB19蛋白的ATP酶活性。因此，团队大胆怀疑ABCB19是否具有其它运输底物？

团队为此建立了基于ATP酶活性检测的底物筛选策略，意外发现在测试的多种植物激素中，BR分子能够显著促进ABCB19蛋白的ATP酶活性。同时，团队也建立了一套基于脂质体和放射性标记底物的转运体系，证明了ABCB19蛋白在脂质体中能转运BR分子。为了看清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，同时非常直观的观察到了ABCB19蛋白是如何结合、“装载”BR分子的。进一步的，孙林峰团队与Eugenia Russinova团队深度合作，利用植物遗传学、生理学手段，在植物细胞内证实了ABCB19蛋白能够向细胞外外排BR分子，并且正向调控植物的BR信号。这些结果证实了ABCB19的“隐藏功能”，让我们重新审视该蛋白的生理作用。

图.拟南芥ABCB19蛋白参与BR信号调控。

综上，这项研究成果鉴定了植物中首个BR转运蛋白ABCB19，系统揭示了ABCB19识别、运输油菜素内酯的分子过程，填补了BR信号通路的研究空白。未来针对该家族蛋白的进一步功能分析和改造，将为我们理解、利用BR信号促进农业生产提供更多帮助。这也为靶向该蛋白的小分子化合物的开发设计，以期作为农药和植物生长调节剂用于农业生产，提高作物产量和抗逆性提供更多思路。

中国科学技术大学孙林峰团队一直致力于对植物激素运输过程的研究。2022年，团队报道了植物中生长素极性转运蛋白PIN1的高分辨率结构，并结合功能实验阐释了PIN1蛋白的工作机制（Nature，2022）；2023年，解析了植物首个脱落酸外排蛋白ABCG25的结构，系统阐释了ABCG25蛋白转运脱落酸的过程（Nature Plants，2023）。团队针对油菜素甾醇转运蛋白ABCB19的工作，是在植物激素运输研究领域的另一项重要成果。