在植物與環(huán)境的互相作用中，有一大類多達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。

2022年8月1日，《自然—植物》（Nature Plants）在線發(fā)表了云南師范大學、中國農業(yè)科學院農業(yè)基因組研究所、華南農業(yè)大學、首都師范大學、南京農業(yè)大學和麻省理工學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——葫蘆素的轉運分子機制，并闡明了葫蘆素調節(jié)根際菌群的互作模式提高植物抗病性的新機制。

“不可多得”的葫蘆素

論文共同通訊作者、云南師范大學馬鈴薯科學研究院教授尚軼告訴《中國科學報》，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重影響其商品品質和經濟效益。

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)學古籍《本草綱目》到現(xiàn)代醫(yī)學，葫蘆素一直被人類用作潛在藥物治療腫瘤、肝臟疾病等。“但由于葫蘆素原料獲取難度大，制約了其廣泛應用。”尚軼說。

在前期研究中，該團隊已經圍繞葫蘆素的生物合成、調控、馴化及結構多樣性等方面開展了系統(tǒng)性研究。

他們利用組學大數(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個乙酰基轉移酶；還發(fā)現(xiàn)直接調控葫蘆素合成基因簇的轉錄因子6個，其中發(fā)生在果實葫蘆素調控基因Bt啟動子上的突變，是葫蘆科瓜類作物果實苦味性狀協(xié)同馴化的關鍵。

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

搞清楚了葫蘆素的合成機制，接下來，他們就想搞明白葫蘆素如何在植物體內運輸?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？

“代謝產物在植物中的分布不僅取決于它們的合成、調控，其在植物各組織間、細胞內的轉運過程也是關鍵的決定因素。”論文共同通訊作者、中國農科院農業(yè)基因組研究所博士后馬永碩告訴《中國科學報》，相對于合成與調控研究，代謝產物轉運機制研究進展緩慢，是植物代謝研究領域的難點。

目前，關于植物三萜化合物轉運的機制研究較少，相關轉運蛋白也未見報道。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、中國農科院農業(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’。”馬永碩說，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，也是植物代謝領域的研究熱點，但次生代謝產物進入土壤的機制并未解析。

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物，并調節(jié)根際微生物組成，進而提高植物抗性的分子機制。

論文共同第一作者、首都師范大學生命科學學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)的葫蘆素調控因子直接調控；該基因產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一步證明，該轉運蛋白參與了植物體內葫蘆素的轉運，且該轉運過程受到葫蘆素生物合成調節(jié)。“當MATE轉運蛋白基因功能失活后，為了避免細胞內合成的葫蘆素過度積累對其產生毒性，細胞會通過降低合成基因的表達水平，來減弱葫蘆素的合成，從而將葫蘆素維持在較低水平；相反，當轉運蛋白基因過表達后，大量葫蘆素被排出，從而進一步誘導了合成基因高表達。”馬永碩解釋說。

為生物合成葫蘆素奠定基礎

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、南京農業(yè)大學資源與環(huán)境學院副教授荀衛(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應該是通過調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。”荀衛(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可作為碳源促進根際腸桿菌生長，而腸桿菌又可促進根際典型的能高效拮抗鐮刀菌的植物益生細菌——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。

“葫蘆素首先在細胞質中合成，隨后被錨定在細胞質膜上的MATE轉運蛋白所捕獲，并被轉運至胞外，最后分泌到土壤中發(fā)揮作用。”尚軼總結說。

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

尚軼說，育種家可利用轉運蛋白可作為育種分子靶標，培育出可分泌高濃度葫蘆素的優(yōu)質抗病新品種。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。其轉運蛋白的發(fā)現(xiàn)，將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。

相關論文信息：https://doi.org/s41477-022-01201-2

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