Cell驚人發現：不容忽視的激素

日期：2016-08-15 09:06:22

天生最好的化學家并不是科學家們，而是植物。自從大約4.5億年前開始居住在陸地上，植物一直不斷地在進化出豐富的自然小化合物和受體。

現在，Salk研究所的科學家在8月11日的《細胞》（Cell）雜志上發布了一項新研究，揭示出了通常被忽視的小分子：紅花菜豆酸 ( phaseic acid )一種意外的作用，紅花菜豆酸在歷史上一直被視作是植物中的一種無活性的副產物——是代謝的一個盡頭。新研究發現表明，紅花菜豆酸和它的受體有可能共同進化變得對抗旱性和其他生存性狀至關重要，并有可能幫助開發出可耐受氣候改變造成的自然災害的，一些新的、更強壯的作物。

資深研究員、Salk研究所Jack H. Skirball化學生物學與蛋白質組學中心教授Joseph Noel說：“過去有一些跡象表明，紅花菜豆酸并不僅僅是一個無活性的旁觀者，而是一種發揮重要作用的植物激素。現在，利用一系列先進的生物學方法，我們更令人信服地證實了，紅花菜豆酸有可能對生存極為重要。”

長期以來紅花菜豆酸都生活在其前體——脫落酸（ABA）的陰影下，脫落酸是植物研究中的一個大問題。ABA是一種存在于所有陸地植物中的激素，對于響應環境壓力和病原體，尤其是向植物發出干旱警報起關鍵作用。ABA還因與水果和蔬菜中的好東西：類胡蘿卜素，如β-胡蘿卜素及番茄紅素之間的關系而為人們所知。

像所有的天然小分子一樣，ABA是通過將一些復雜的代謝信號通路所產生，這些通路將簡單的以碳為基礎的構件轉變成為了共同傳送大量信息的結構復雜的天然化合物。一些植物具有大量的ABA受體，每種受體在植物中執行不同的功能。但矛盾地是作為一種主要調控因子，ABA似乎對所有受體都有著同等的偏好，這對于微調控制植物功能并不理想。

在新研究中，Noel研究小組采用了通常研究的一種植物擬南芥，獲得了缺失紅花菜豆酸加工酶，實際上累積了大量紅花菜豆酸的變種。

讓研究小組驚訝地是，植物顯示種子萌芽時間發生了改變，它們在缺水的情況下生存了較長的時間。“這向我們表明了，或許我們不應該將紅花菜豆酸看做一種無活性的降解產物，而實際上是像其他植物激素一樣自身能夠引起一些改變的分子，”Noel說。

科學家們完成了一系列的研究，闡明了紅花菜豆酸作為一種植物激素的作用，例如證實添加紅花菜豆酸到正常幼苗中可觸發許多特定基因，尤其是一些代謝酶的編碼基因表達發生改變，它們與ABA激活的基因有重疊也有不同。

此外，采用高分辨率成像技術——X射線晶體學，研究小組證實紅花菜豆酸結合了一些ABA受體，進一步證實了ABA受體不只可以感知ABA。

新研究更廣泛地表明了，生物體在利用小化合物實現各種不同的反應方面可能有著更多隱藏的復雜性。Noel說，進化有可能改變了其他一些所謂代謝終產物的用途。

論文的第一作者、Noel實驗室前博士后研究人員Jing-Ke Weng在麻省理工學院Whitehead生物醫學研究所和生物學系建立了一個獨立的研究小組，將繼續探究從前未知作用的一些植物化合物。“我們希望發現和了解激素的復雜性、它們的代謝物及在各種植物中與受體的相互作用，”Weng說。

Noel將研究這些激素在植物根部的作用。有證據表明，在干旱、過冬時期及土壤病原體侵襲過程中，紅花菜豆酸和ABA發揮作用將來自植物葉和莖的碳移動到了根部來保護它們。Noel說：“了解植物生物學的這一領域為我們思考有可能如何緩解氣候改變提供了新途徑。”

脫落酸是最重要的植物激素之一，它調控了植物的生長和發育，包括種子成熟、休眠和發芽，幼苗生長，葉片衰老，以及對各種環境應激，如干旱、鹽度、低溫和病原體感染的反應。

清華大學的研究人員證實，雙功能轉錄因子AtYY1是擬南芥ABA反應網絡一個新的負調控因子。這一研究發現發布在2016年5月的《Molecular Plant》雜志上。

來自中國農業大學的研究人員證實，PUB12/13 U-box E3連接酶降解了脫落酸（ABA）輔助受體ABI1，由此揭示出了PUB12 和PUB13調控ABI1水平的一個重要新機制。這一研究發現發布在2015年10月20日的Nature Communications雜志上。

近年來的一些研究揭示出在ABA信號通路中，ABA結合它的受體PYL/PYR/RCARs，隨后這一PYL/PYR/RCAR-ABA復合物與抑制SnRK2s的PP2C磷酸酶結合，釋放激活的SnRK2s使得下游靶蛋白磷酸化，激活了ABA反應。來自中國農業科學院的研究人員發現，SnRK2-APC/CTE調控模塊介導了赤霉素和脫落酸信號通路的對抗作用。這一重要的研究發現發布在2015年8月14日的Nature Communications雜志上。