植物無(wú)法移動(dòng)，因此在長(zhǎng)期演化過(guò)程中，形成了一類三萜化合物，其在植物與環(huán)境互作過(guò)程中，發(fā)揮著吸引蟲媒、防御病害天敵以及信號(hào)傳遞等重要作用。目前已發(fā)現(xiàn)的植物三萜化合物超過(guò)2萬(wàn)種。對(duì)人類而言，它們是藥物、保健品及化妝品的重要來(lái)源。
近日，云南師范大學(xué)、中國(guó)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(xiàng)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(yùn)分子機(jī)制；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)植物通過(guò)從根表皮細(xì)胞外排葫蘆素，來(lái)改變根際微生物群落組成，進(jìn)而提高對(duì)植物枯萎病的抗性。相關(guān)研究論文在線發(fā)表于著名國(guó)際期刊《自然·植物》。
高價(jià)值葫蘆素原料獲取難度大
在吃黃瓜時(shí)，人們常會(huì)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(tuán)隊(duì)針對(duì)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(gè)葫蘆素合成基因簇，共涉及21個(gè)基因。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了直接調(diào)控葫蘆素合成基因簇的6個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，其中發(fā)生在果實(shí)葫蘆素調(diào)控基因Bt啟動(dòng)子上的突變，是人類馴化葫蘆科瓜類作物果實(shí)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(dòng)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�！闭撐墓餐ㄓ嵶髡咧坏脑颇蠋煼洞髮W(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院教授尚軼告訴科技日?qǐng)?bào)記者。因此，闡明其合成、調(diào)控及運(yùn)輸機(jī)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(jià)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(jī)制，而關(guān)于植物三萜化合物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的研究較少，相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也未見報(bào)道。
葫蘆素“借刀殺人”對(duì)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(zhǎng)發(fā)育、根系對(duì)生物和非生物的抗性以及根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)的攝取等過(guò)程。
近年來(lái)，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(yùn)到根際土壤及其調(diào)控根際微生物組的作用機(jī)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�！鄙休W說(shuō)。隨后，葫蘆素被錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上的MATE轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白捕獲，并被轉(zhuǎn)運(yùn)至植物“體外”，最后進(jìn)入土壤中。尚軼說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)首先利用水培方式，發(fā)現(xiàn)甜瓜和西瓜根部可以向營(yíng)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(cè)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(lái)是一種資源‘浪費(fèi)’，但這其中必有道理�！鄙休W說(shuō)，深入研究后，他們發(fā)現(xiàn)，實(shí)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(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，葫蘆素B對(duì)土傳病原菌——鐮刀菌并沒有直接殺傷力，因此他們推測(cè)葫蘆素B可能間接影響了根際鐮刀菌豐度。
“通過(guò)分析根際微生物及宏基因組測(cè)序數(shù)據(jù)，并結(jié)合體外生化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhǎng)，而腸桿菌又可促進(jìn)拮抗細(xì)菌——芽孢桿菌富集，芽孢桿菌可以對(duì)鐮刀菌產(chǎn)生抗性，從而建立起植物的防御機(jī)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(shuō)。
新發(fā)現(xiàn)帶來(lái)作物選育新思路
研究人員對(duì)瓜類植物天然產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，以及轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)葫蘆素調(diào)控機(jī)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)�！鄙休W說(shuō)，黃瓜育種專家已利用這一機(jī)制培育出“葉苦抗蟲、果實(shí)不苦”的優(yōu)質(zhì)新品種，解決我國(guó)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(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
此外，葫蘆素合成機(jī)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(yùn)蛋白的發(fā)現(xiàn)，將進(jìn)一步加速葫蘆素合成生物學(xué)研究�！巴ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白實(shí)現(xiàn)或加速葫蘆素定向胞外運(yùn)輸，從而降低其對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的負(fù)擔(dān)或毒性，有利于提高葫蘆素產(chǎn)量，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化葫蘆素的純化流程�！鄙休W說(shuō)。
此項(xiàng)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(bào)記者 趙漢斌)