我科學(xué)家揭開植物“硼密碼”

　　缺硼會(huì)讓莊稼“爛根絕收”，全球超百種作物依賴硼肥才能保證產(chǎn)量。但一個(gè)根本問題始終沒有答案：硼進(jìn)入植物體內(nèi)后，到底做了什么？北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院焦雨鈴教授團(tuán)隊(duì)與合作者日前首次揭開了這個(gè)謎底——硼如同一枚枚“分子鉚釘”，通過交聯(lián)細(xì)胞膜上的糖鞘脂與細(xì)胞壁，將決定植物生長的關(guān)鍵蛋白牢牢錨定在正確位置。一旦缺硼，這個(gè)錨定系統(tǒng)瞬間崩塌，植物生長隨之停擺。

　　故事要從一個(gè)多世紀(jì)前的發(fā)現(xiàn)講起。焦雨鈴介紹，1912年，科學(xué)家在顯微鏡下觀察到，當(dāng)植物細(xì)胞失水收縮時(shí)，細(xì)胞膜與細(xì)胞壁之間會(huì)拉出無數(shù)細(xì)絲，被稱為“郝氏絲”。這些細(xì)絲顯然是某種將膜與壁連接在一起的“固定繩”，但它們的分子組成是什么、如何形成，困擾了學(xué)界百余年。傳統(tǒng)觀點(diǎn)猜測是某些蛋白質(zhì)在發(fā)揮作用，但逐一排查后，沒有一種蛋白能解釋郝氏絲的形成。

　　研究團(tuán)隊(duì)將目光投向了一個(gè)被長期忽視的角色——硼。“我們用一種能干擾硼功能的化合物處理擬南芥幼苗，僅10分鐘，郝氏絲就消失殆盡，原本固定在細(xì)胞膜特定區(qū)域的蛋白質(zhì)也隨之脫落。這證明，硼正是那根連接膜與壁的‘橋梁’。”論文共同通訊作者、首都師范大學(xué)教授汪穎說。

　　在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探究：硼究竟與什么結(jié)合？“答案是GIPC——糖基肌醇磷酸神經(jīng)酰胺。這個(gè)名字拗口的分子，是植物質(zhì)膜中含量最豐富的鞘脂，占總脂類的四分之一到一半，但此前科學(xué)界對它的功能幾乎一無所知。我們通過質(zhì)譜與核磁共振分析發(fā)現(xiàn)，一個(gè)GIPC分子上可以結(jié)合多個(gè)硼原子，形成硼酸酯鍵，像一個(gè)多爪掛鉤，牢牢抓住細(xì)胞壁。這種多價(jià)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，讓硼和GIPC共同構(gòu)成了膜與壁之間的‘分子鉚釘’。”

　　焦雨鈴表示，“鉚釘”固定住了PIN蛋白——決定植物生長方向的“指揮官”。生長素控制著植物從根的生長、彎曲方向，到開花結(jié)果、抗病耐旱等幾乎全部過程；而PIN則負(fù)責(zé)將生長素準(zhǔn)確送到需要的地方。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，PIN蛋白上有一個(gè)專門與GIPC結(jié)合的“對接位點(diǎn)”，缺了它，PIN就無法定位。一旦硼供應(yīng)中斷，“鉚釘”脫落，PIN蛋白便會(huì)從原本集中的位置散開，生長素運(yùn)輸隨即混亂。這一過程遠(yuǎn)快于肉眼可見的生長表型變化，是缺硼最早觸發(fā)的分子事件之一。

　　“這項(xiàng)研究不僅回答了‘硼營養(yǎng)作用’的百年科學(xué)疑問，也為農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了新的想象空間。”焦雨鈴認(rèn)為，找到缺硼所影響的具體蛋白，就等于找到了問題的根本癥結(jié)所在，“這意味著，未來我們或許能通過調(diào)控這條通路，培育出耐低硼、根系更發(fā)達(dá)的作物新品種，在減少化肥用量的同時(shí)保障糧食安全。”