《自然通訊》華人學者破解植物激素運輸的分子機制

　　植物生長，由來自于植株內激素的一連串信號“精心安排”。一大組稱為細胞分裂素(cytokinins)的植物激素，起源于植物根部，它們由根部到莖和葉片生長區域的運輸過程，能夠刺激植物的發育。雖然以往已經確定了這些植物激素，但對于它們在植物體內運輸的分子機制還知之甚少。

　　目前，由美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的生物化學家劉長軍(音譯，Chang-Jun Liu)帶領的研究小組，發現了對細胞分裂素從根部向地上部遷移所必不可少的一種蛋白質。這一研究結果發表在2014年2月11日的《自然通訊》(Nature Communications)雜志上。

　　細胞分裂素能夠刺激新梢生長并促進分枝、擴張和株高。調節這些激素，也可以增加開花植物的壽命、對干旱或其它環境壓力的耐受力以及氮肥效能。

　　通過調整轉運蛋白的活性來操縱細胞分裂素的分布，可能是提高生物量產量和生物燃料或農業植物耐逆性的一種方法。劉博士說：“這項研究可能開辟新的途徑，對在農業、生物技術和園藝上重要的多種作物進行改良，以增加產量和減少肥料需求，同時提高可持續生物能源的開發。”

　　利用擬南芥(Arabidopsis)——一種小型開花植物，與芥菜和甘藍的親緣關系較近，是一種常見的實驗模型，研究人員研究了一個大的轉運蛋白家族，稱為ATP結合盒(ATP-binding cassette，ABC)轉運蛋白，這種蛋白作為一種細胞間或細胞內泵，將物質移入或移出植物的細胞或器官。而在一組ABC轉運蛋白中進行基因表達分析中，研究人員發現，一個基因——AtABCG14——在根部維管組織中高度表達。

　　為了確定這個基因的功能，研究人員檢測了攜帶一個打斷AtABCG14基因的突變體植株。他們發現，敲除這些轉運蛋白基因，可導致比野生型植株生長更弱、莖部更細長和主根更短的植物。植物中這些結構的變化是細胞分裂素不足的癥狀。本質上說，生長激素的長距離運輸受損，導致根部和地上部的發育改變。運輸中斷也能夠導致葉綠素的損失，葉綠素是將吸收的陽光轉化為能量的分子。

　　然后，研究小組利用放射示蹤物來確定AtABCG14蛋白在細胞分裂素植株內運輸過程中的作用。他們將貼有Carbon-14標簽的細胞分裂素分別導入野生型和突變體幼苗的根部。野生型植株的根部充滿了激素，而雖然突變體植株的根系發達，但其根部只有微弱量的激素。這表明，細胞分裂素運輸和 AtABCG14蛋白之間有一種直接的聯系。

　　劉博士表示：“理解細胞分裂素運輸的分子基礎，可讓我們更深刻地領會到植物如何利用和分配這些信號分子來組織它們的生命活動及整個身體的構建。”

　　“從生物技術角度來說，控制這個已發現的轉運蛋白的活性，可讓我們靈活地提高植物能量獲取及轉換的效能以及降解的碳儲存，或植物對惡劣環境的適應能力，因而促進燃料和生物材料的可再生原料生產，或提高滿足我們全球食品和能源需求的糧食產量。”

　　這項工作是由美國能源部布魯克海文國家實驗室與捷克帕拉斯基大學實驗植物學研究所、圣約翰大學的研究人員合作完成。受到美國能源部科學局和國家科學基金(分別理解植物細胞壁生物起源和ABC轉運蛋白功能)的資助。