福建農(nóng)林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)破解半世紀(jì)難題 率先揭示胞外生長素新受體

福建農(nóng)林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)破解半世紀(jì)難題，率先揭示胞外生長素新受體

植物高矮可調(diào)節(jié) 作物產(chǎn)量能控制

植物的葉子和果實(shí)可以是三角形、圓形等形狀，增強(qiáng)觀賞性；水稻、玉米等作物的高矮、胖瘦可調(diào)節(jié)，還能根據(jù)需求控制產(chǎn)量多少；植物的根系經(jīng)人為作用，可以更加發(fā)達(dá)或調(diào)整生長方向，從而應(yīng)用至防風(fēng)固沙等領(lǐng)域……福建農(nóng)林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)取得新突破，可通過改造植物的生長素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控植物生長發(fā)育，這給未來農(nóng)業(yè)發(fā)展提供更多可能。

記者19日從福建農(nóng)林大學(xué)獲悉，該校研究團(tuán)隊(duì)在全球率先揭示植物胞外生長素新受體，破解半個(gè)世紀(jì)以來懸而未決的世界性科學(xué)難題，為利用合成生物學(xué)的技術(shù)改造植物生長素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了新的視角，是植物生長素領(lǐng)域的重大突破。11月17日，該研究成果登上國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）雜志。

摸索：

探尋植物生長素的奧秘

生長素是植物中最早發(fā)現(xiàn)也是最核心的激素，因其促進(jìn)生長而得名。近百年的研究證實(shí)，生長素參與調(diào)控植物幾乎所有的生長發(fā)育過程。生長素影響了植物的胚胎發(fā)育、組織分化、器官發(fā)生、向光性和向重力性生長等。

“生長素相當(dāng)于植物的生長激素，被廣泛應(yīng)用至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，在提高作物產(chǎn)量、調(diào)節(jié)植物的生長形狀和大小等方面擔(dān)當(dāng)重任。”該研究主要完成人之一、福建農(nóng)林大學(xué)林文偉博士介紹。

那么，生長素作為一種天然的小分子化合物，其復(fù)雜多樣的生物學(xué)功能是如何實(shí)現(xiàn)的？植物細(xì)胞如何感受和響應(yīng)胞外生長素信號？植物細(xì)胞表面是否存在一類蛋白可直接識(shí)別結(jié)合生長素分子？半個(gè)世紀(jì)以來，這些問題懸而未決，一直是生長素研究領(lǐng)域關(guān)注和爭論的焦點(diǎn)。

“世界各地知名科學(xué)家一直在尋找植物生長素的受體到底有哪些，因?yàn)檫@對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)品種改良等方面具有重要意義。”福建農(nóng)林大學(xué)海峽聯(lián)合研究院合成生物學(xué)研究中心（合成中心）主任徐通達(dá)教授介紹，經(jīng)過長達(dá)七年的研究，他們發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞膜上存在新的受體。

突破：

揭示胞外生長素新受體

11月17日，福建農(nóng)林大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院海峽聯(lián)合研究院徐通達(dá)團(tuán)隊(duì)與楊貞標(biāo)團(tuán)隊(duì)合作在國際期刊《細(xì)胞》（Cell）雜志發(fā)表題為“ABLs and TMKs are co-receptors for extracellular auxin”（“生長素結(jié)合蛋白ABLs和TMKs激酶形成共受體感受胞外生長素”）的研究論文。

該研究報(bào)道了兩個(gè)新的質(zhì)外體定位的生長素結(jié)合蛋白，ABL1（ABP1-like protein 1）和ABL2，與生長素結(jié)合蛋白ABP1具有相似結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞膜上形成ABP1/ABLs-TMK生長素共受體感受并傳遞胞外生長素信號，調(diào)控植物生長和發(fā)育的分子機(jī)制，是植物生長素領(lǐng)域十分重要的突破。

“我們通過多種手段鑒定到了兩個(gè)新的生長素結(jié)合蛋白，這兩個(gè)蛋白定位在細(xì)胞膜和細(xì)胞壁的間隙中，當(dāng)生長素出現(xiàn)的時(shí)候，可以誘導(dǎo)該生長素結(jié)合蛋白和細(xì)胞膜上的一個(gè)叫TMK的蛋白激酶形成蛋白復(fù)合體，然后這個(gè)共受體復(fù)合體可以激活一系列胞內(nèi)相關(guān)蛋白，從而將胞外的生長素信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)部，最終調(diào)節(jié)植物細(xì)胞形態(tài)建成。”論文共同第一作者、福建農(nóng)林大學(xué)于永強(qiáng)博士介紹，該研究揭開了植物細(xì)胞如何感受胞外生長素信號的神秘面紗，闡釋了細(xì)胞膜共受體復(fù)合體傳遞生長素信號調(diào)控植物生長發(fā)育的分子機(jī)制，是植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)。

“簡單點(diǎn)說，找到了胞外生長素新受體，我們就能對生長素通路進(jìn)行改造。”于永強(qiáng)表示。

意義：

迎來農(nóng)作物革命新時(shí)代

此前，福建農(nóng)林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在全球率先解析植物生長素促進(jìn)細(xì)胞生長作用機(jī)理，為半個(gè)世紀(jì)以來一直未解的世界性科學(xué)難題“酸性生長假說”提供了直接理論依據(jù)。這一研究成果曾于2021年10月27日發(fā)表在國際期刊《自然》上。該研究的主要完成者是福建農(nóng)林大學(xué)的林文偉博士。

而本次的研究成果正是建立在此前研究的基礎(chǔ)上，這一重大發(fā)現(xiàn)為合成生物學(xué)的應(yīng)用提供了巨大潛力。

拿水稻為例，水稻作為全球重要的糧食作物之一，其生長素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的工程化改造具有巨大潛力。通過優(yōu)化水稻的生長素信號傳導(dǎo)路徑，可提高其抗逆性、增加產(chǎn)量，并且改良其品質(zhì)特性。

“例如，水稻栽培過程中常因天氣等外部原因發(fā)生倒伏，嚴(yán)重影響產(chǎn)量，甚至可能造成絕收。通過減弱生長素的作用，我們可以讓水稻長得更矮，根莖更結(jié)實(shí)，在提高水稻抗倒伏能力的同時(shí)保穩(wěn)產(chǎn)。”于永強(qiáng)告訴記者，通過利用合成生物學(xué)技術(shù)，可以對植物生長素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工程化改造，通過調(diào)控細(xì)胞外受體的表達(dá)水平或結(jié)構(gòu)，精確地調(diào)節(jié)植物對生長素的響應(yīng)，從而有望創(chuàng)制出更適應(yīng)惡劣環(huán)境、具有更高產(chǎn)量和更好品質(zhì)的作物品種。

受益于這一研究成果，將有效提高農(nóng)作物的抗逆性和適應(yīng)性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可持續(xù)的解決方案，這將在全球范圍內(nèi)為解決糧食安全問題作出重要貢獻(xiàn)。

除了水稻，其他農(nóng)作物和植物也同樣受用：草坪里的草可被控制生長高度，無需再人工修剪；豆芽可以長得無限長；生菜葉子能比芭蕉葉大；公園和路邊的花卉樹木的葉子能長成三角形或圓形……有了該研究成果的指導(dǎo)，今后，這些應(yīng)用場景將不再稀奇。

林文偉表示，相信通過科學(xué)家們的不懈努力，我們將迎來一個(gè)農(nóng)作物革命的新時(shí)代，為人類提供更豐富、更可持續(xù)的糧食資源。（記者 梁凱鴻）