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、中國農業(yè)科學院農業(yè)基因組研究所、華南農業(yè)大學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——葫蘆素的轉運分子機制；同時，還發(fā)現(xiàn)植物通過從根表皮細胞外排葫蘆素，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
(資料圖片)
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、調控、馴化及結構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)了直接調控葫蘆素合成基因簇的6個轉錄因子，其中發(fā)生在果實葫蘆素調控基因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，制約了它的廣泛應用。”論文共同通訊作者之一的云南師范大學馬鈴薯科學研究院教授尚軼告訴科技日報記者。因此，闡明其合成、調控及運輸機理，不僅將為作物品質與抗性育種提供分子靶標，也是利用合成生物學技術開發(fā)這些植物天然產物商業(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控機制，而關于植物三萜化合物轉運機制的研究較少，相關轉運蛋白也未見報道。
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)植物根系產生的次生代謝產物在選擇性塑造根際微生物組方面發(fā)揮著重要作用，然而這些代謝產物從根系轉運到根際土壤及其調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胞的細胞質中合成。”尚軼說。隨后，葫蘆素被錨定在細胞質膜上的MATE轉運蛋白捕獲，并被轉運至植物“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可作為碳源誘導根際腸桿菌生長，而腸桿菌又可促進拮抗細菌——芽孢桿菌富集，芽孢桿菌可以對鐮刀菌產生抗性，從而建立起植物的防御機制。”論文共同第一作者、南京農業(yè)大學資源與環(huán)境學院副教授荀衛(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物轉運機制，以及轉運蛋白如何調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，對葫蘆素調控機制的解析，為利用葫蘆素抗蟲的特性培育優(yōu)質新品種提供了分子靶標。”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)質新品種，解決我國華南地區(qū)黃瓜易變苦的難題，相關成果獲得了2018年度國家自然科學獎二等獎。
此外，葫蘆素合成機制的解析，為利用合成生物學技術異源高效合成葫蘆素提供了先決條件。在此基礎上，葫蘆素轉運蛋白的發(fā)現(xiàn)，將進一步加速葫蘆素合成生物學研究。“通過轉運蛋白實現(xiàn)或加速葫蘆素定向胞外運輸，從而降低其對細胞生長的負擔或毒性，有利于提高葫蘆素產量，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用前景。
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