在植物與環(huán)境的互相作用中,，有一大類多達(dá)20000余種的化合物發(fā)揮著重要作用——植物三萜化合物,，它們同時也是藥物、保健品和化妝品的重要來源。

闡明植物三萜化合物合成,、調(diào)控及運輸機(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)價值的前提,。

2022年8月1日，《自然—植物》（Nature Plants）在線發(fā)表了云南師范大學(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)、首都師范大學(xué),、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和麻省理工學(xué)院等多家單位共同完成的論文,。該研究首次揭示了葫蘆科瓜類作物中一種三萜化合物——葫蘆素的轉(zhuǎn)運分子機(jī)制，并闡明了葫蘆素調(diào)節(jié)根際菌群的互作模式提高植物抗病性的新機(jī)制,。

“不可多得”的葫蘆素

論文共同通訊作者,、云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院教授尚軼告訴《中國科學(xué)報》，葫蘆素是葫蘆科植物特有的三萜類化合物,，具有令人不悅的苦味,。蔬菜或水果在可食用部位積累葫蘆素將嚴(yán)重影響其商品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。

另一方面,，葫蘆素的苦味對植物而言具有很好的抗蟲作用,，能幫助植物抵御害蟲的攻擊。

有研究表明,，葫蘆素對人體而言具有保肝,、消炎、抗癌等功效,。從醫(yī)學(xué)古籍《本草綱目》到現(xiàn)代醫(yī)學(xué),，葫蘆素一直被人類用作潛在藥物治療腫瘤、肝臟疾病等,?！暗捎诤J素原料獲取難度大，制約了其廣泛應(yīng)用,?！鄙休W說。

在前期研究中，該團(tuán)隊已經(jīng)圍繞葫蘆素的生物合成,、調(diào)控,、馴化及結(jié)構(gòu)多樣性等方面開展了系統(tǒng)性研究。

他們利用組學(xué)大數(shù)據(jù)在葫蘆科作物——黃瓜,、甜瓜,、西瓜中發(fā)現(xiàn)了三個葫蘆素合成基因簇，包含3個三萜環(huán)化酶,、21個P450氧化酶和3個乙?；D(zhuǎn)移酶；還發(fā)現(xiàn)直接調(diào)控葫蘆素合成基因簇的轉(zhuǎn)錄因子6個,，其中發(fā)生在果實葫蘆素調(diào)控基因Bt啟動子上的突變,，是葫蘆科瓜類作物果實苦味性狀協(xié)同馴化的關(guān)鍵。

尚軼說,，黃瓜育種家利用上述相關(guān)發(fā)現(xiàn),，合作培育出“葉苦抗蟲、果實不苦”的優(yōu)質(zhì)新品種,，解決了我國華南地區(qū)黃瓜易變苦的生產(chǎn)難題,。“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,。”尚軼說,。

搞清楚了葫蘆素的合成機(jī)制,，接下來，他們就想搞明白葫蘆素如何在植物體內(nèi)運輸?shù)摹?/span>

“甜瓜,、西瓜中葫蘆素的主要合成部位是根部,，而黃瓜中的葫蘆素是在葉片中合成。這三種作物的果實中都會有葫蘆素存在,。究竟葫蘆素是如何從這些合成的器官中運輸?shù)絻Υ嫫鞴僦腥サ模俊鄙休W說,。

是浪費還是主動防御,？

“代謝產(chǎn)物在植物中的分布不僅取決于它們的合成、調(diào)控,，其在植物各組織間,、細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運過程也是關(guān)鍵的決定因素?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所博士后馬永碩告訴《中國科學(xué)報》，相對于合成與調(diào)控研究，代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)運機(jī)制研究進(jìn)展緩慢,，是植物代謝研究領(lǐng)域的難點,。

目前，關(guān)于植物三萜化合物轉(zhuǎn)運的機(jī)制研究較少,，相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白也未見報道,。于是，他們的研究從甜瓜和西瓜的葫蘆素合成的部位——根部著手,。

論文共同第一作者,、中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所博士生仲陽介紹，他們利用水培方式發(fā)現(xiàn)甜瓜和西瓜根部可以向營養(yǎng)液中分泌葫蘆素,，然后在土壤種植材料的根際土壤中也檢測到大量的葫蘆素,。

“根部是葫蘆素合成的主要部位，植物合成葫蘆素等三萜代謝產(chǎn)物需要消耗很多能量,，但合成后卻被外排到土壤中,，看起來是一種資源‘浪費’?！瘪R永碩說,，近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)植物根系分泌的次級代謝產(chǎn)物在選擇性塑造根際微生物組方面發(fā)揮著重要作用,，也是植物代謝領(lǐng)域的研究熱點,，但次生代謝產(chǎn)物進(jìn)入土壤的機(jī)制并未解析。

根際微生物組被稱為植物的“第二基因組”,，可影響植物根系的生長發(fā)育,、根系對生物和非生物的抗性以及根系對營養(yǎng)攝取等過程。因此,，他們以西甜瓜外排葫蘆素為研究切入點,，試圖解析根系如何分泌次級代謝產(chǎn)物，并調(diào)節(jié)根際微生物組成,，進(jìn)而提高植物抗性的分子機(jī)制,。

論文共同第一作者、首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生王霄漢介紹,，該研究發(fā)現(xiàn),，甜瓜、西瓜可從根部向土壤中外排葫蘆素B和葫蘆素E,。利用組學(xué)大數(shù)據(jù),，他們從甜瓜、西瓜基因組中分別鑒定到一個MATE轉(zhuǎn)運蛋白基因（CmMATE1/ClMATE1）,。該基因不僅與葫蘆素合成基因成簇分布,，且被前期發(fā)現(xiàn)的葫蘆素調(diào)控因子直接調(diào)控,；該基因產(chǎn)生的蛋白可運輸葫蘆素B及葫蘆素E。

甜瓜從根系分泌葫蘆素B提高抗病性模型,。受訪者供圖

利用該基因編輯突變體進(jìn)一步證明,，該轉(zhuǎn)運蛋白參與了植物體內(nèi)葫蘆素的轉(zhuǎn)運，且該轉(zhuǎn)運過程受到葫蘆素生物合成調(diào)節(jié),?！爱?dāng)MATE轉(zhuǎn)運蛋白基因功能失活后，為了避免細(xì)胞內(nèi)合成的葫蘆素過度積累對其產(chǎn)生毒性,，細(xì)胞會通過降低合成基因的表達(dá)水平,，來減弱葫蘆素的合成，從而將葫蘆素維持在較低水平,；相反,，當(dāng)轉(zhuǎn)運蛋白基因過表達(dá)后，大量葫蘆素被排出,，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)了合成基因高表達(dá),。”馬永碩解釋說,。

為生物合成葫蘆素奠定基礎(chǔ)

那么,，葫蘆素通過根部分泌到土壤中，又是如何提高植物抗性的呢,？

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)兵介紹，為了回答葫蘆素B為什么能夠增強(qiáng)植物抗病性,，他們首先確定了葫蘆素B對土傳枯萎病病原菌——鐮刀菌沒有直接拮抗活性,。

“我們推測葫蘆素B應(yīng)該是通過調(diào)控根際有益菌的互作模式，從而間接抑制了根際鐮刀菌豐度,?！避餍l(wèi)兵說，通過分析根際微生物群落及宏基因組測序數(shù)據(jù),，并結(jié)合體外生化實驗驗證發(fā)現(xiàn),，根系分泌的葫蘆素B可作為碳源促進(jìn)根際腸桿菌生長，而腸桿菌又可促進(jìn)根際典型的能高效拮抗鐮刀菌的植物益生細(xì)菌——芽孢桿菌富集,，從而建立了甜瓜對土傳病原菌——鐮刀菌的有效防御體系,。

“葫蘆素首先在細(xì)胞質(zhì)中合成，隨后被錨定在細(xì)胞質(zhì)膜上的MATE轉(zhuǎn)運蛋白所捕獲,，并被轉(zhuǎn)運至胞外，最后分泌到土壤中發(fā)揮作用,?！鄙休W總結(jié)說,。

值得一提的是，他們在黃瓜中也發(fā)現(xiàn)了葫蘆素的轉(zhuǎn)運分子機(jī)制,。在黃瓜中,，葫蘆素在葉片中合成，它的轉(zhuǎn)運也依靠MATE轉(zhuǎn)運蛋白,，將葫蘆素儲存在液泡中,。而液泡是植物儲存各類有害物質(zhì)的細(xì)胞器，這也算是植物自我保護(hù)的一種機(jī)制,。

尚軼說,，育種家可利用轉(zhuǎn)運蛋白可作為育種分子靶標(biāo)，培育出可分泌高濃度葫蘆素的優(yōu)質(zhì)抗病新品種,。同時,，本研究有助于提高葫蘆素在有害生物綜合治理中的應(yīng)用前景。

雖然葫蘆素具有重要的藥用價值,，但是原料獲取難度大,。其轉(zhuǎn)運蛋白的發(fā)現(xiàn)，將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,。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/s41477-022-01201-2

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