《自然通讯》：华人学者破解植物激素运输的分子机制

在2014年2月11日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上发表的一项研究中，美国能源部布鲁克海文国家实验室为首的研究小组，发现了对细胞分裂素从根部向地上部迁移所必不可少的一种蛋白质——AtABCG14蛋白，从而破解了植株内激素运输的分子机制。

　　

生物通报道：植物生长，由来自于植株内激素的一连串信号“精心安排”。一大组称为细胞分裂素（cytokinins）的植物激素，起源于植物根部，它们由根部到茎和叶片生长区域的运输过程，能够刺激植物的发育。虽然以往已经确定了这些植物激素，但对于它们在植物体内运输的分子机制还知之甚少。

    目前，由美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的生物化学家刘长军（音译，Chang-Jun Liu）带领的研究小组，发现了对细胞分裂素从根部向地上部迁移所必不可少的一种蛋白质。这一研究结果发表在2014年2月11日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

    细胞分裂素能够刺激新梢生长并促进分枝、扩张和株高。调节这些激素，也可以增加开花植物的寿命、对干旱或其它环境压力的耐受力以及氮肥效能。

   通过调整转运蛋白的活性来操纵细胞分裂素的分布，可能是提高生物量产量和生物燃料或农业植物耐逆性的一种方法。刘博士说：“这项研究可能开辟新的途径，对在农业、生物技术和园艺上重要的多种作物进行改良，以增加产量和减少肥料需求，同时提高可持续生物能源的开发。”

    利用拟南芥（Arabidopsis）——一种小型开花植物，与芥菜和甘蓝的亲缘关系较近，是一种常见的实验模型，研究人员研究了一个大的转运蛋白家族，称为ATP结合盒（ATP-binding cassette，ABC）转运蛋白，这种蛋白作为一种细胞间或细胞内泵，将物质移入或移出植物的细胞或器官。而在一组ABC转运蛋白中进行基因表达分析中，研究人员发现，一个基因——AtABCG14——在根部维管组织中高度表达。

    为了确定这个基因的功能，研究人员检测了携带一个打断AtABCG14基因的突变体植株。他们发现，敲除这些转运蛋白基因，可导致比野生型植株生长更弱、茎部更细长和主根更短的植物。植物中这些结构的变化是细胞分裂素不足的症状。本质上说，生长激素的长距离运输受损，导致根部和地上部的发育改变。运输中断也能够导致叶绿素的损失，叶绿素是将吸收的阳光转化为能量的分子。

    然后，研究小组利用放射示踪物来确定AtABCG14蛋白在细胞分裂素植株内运输过程中的作用。他们将贴有Carbon-14标签的细胞分裂素分别导入野生型和突变体幼苗的根部。野生型植株的根部充满了激素，而虽然突变体植株的根系发达，但其根部只有微弱量的激素。这表明，细胞分裂素运输和AtABCG14蛋白之间有一种直接的联系。

延伸阅读：Science：基因决定植物叶片的独特形状；PLOS Genetics：“杂交优势”基因突变大幅提高作物产量 ； 促进植物生长和提高作物产量的新发现

    刘博士表示：“理解细胞分裂素运输的分子基础，可让我们更深刻地领会到植物如何利用和分配这些信号分子来组织它们的生命活动及整个身体的构建。”

    “从生物技术角度来说，控制这个已发现的转运蛋白的活性，可让我们灵活地提高植物能量获取及转换的效能以及降解的碳储存，或植物对恶劣环境的适应能力，因而促进燃料和生物材料的可再生原料生产，或提高满足我们全球食品和能源需求的粮食产量。”

    这项工作是由美国能源部布鲁克海文国家实验室与捷克帕拉斯基大学实验植物学研究所、圣约翰大学的研究人员合作完成。受到美国能源部科学局和国家科学基金（分别理解植物细胞壁生物起源和ABC转运蛋白功能）的资助。（生物通：王英）

注：刘长军，男，植物生物化学和分子生物学家。美国能源部Brookhaven（布鲁克海文）国家实验室研究员，纽约州立大学（State University of New York）Stony Brook分校生物化学和细胞生物学系兼职教授（Adjunct Professor）。1995年于中国科学院武汉植物研究所获硕士学位，1999年于中国科学院上海植物生理研究所获博士学位。1999年至2005年分别在美国The Samuel Roberts Noble Foundation 和The Salk Institute 作博士后研究。 2005年5月至今受聘于美国能源部Brookhaven 国家实验室，主持植物次生代谢和植物细胞壁生物质新能源的基础研究工作。他所主持的课题组主要应用生物化学-功能基因组学和反向遗传学手段从事植物酚类和多酚类物质的生物合成和代谢调控的机理的研究，以及植物细胞壁组分的合成、修饰和遗传改造的研究；同时利用蛋白质结晶和蛋白质工程手段探讨代谢途径中关键酶的结构和功能的关系并改良酶的活性和功能。在国内外学术刊物发表论文30余篇，已申请或公开专利2项。

生物通推荐原文摘要：
Arabidopsis ABCG14 protein controls the acropetal translocation of root-synthesized cytokinins
Abstract: Cytokinins are a major group of phytohormones regulating plant growth, development and stress responses. However, in contrast to the well-defined polar transport of auxins, the molecular basis of cytokinin transport is poorly understood. Here we show that an ATP-binding cassette transporter in Arabidopsis, AtABCG14, is essential for the acropetal (root to shoot) translocation of the root-synthesized cytokinins. AtABCG14 is expressed primarily in the pericycle and stelar cells of roots. Knocking out AtABCG14 strongly impairs the translocation of trans-zeatin (tZ)-type cytokinins from roots to shoots, thereby affecting the plant’s growth and development. AtABCG14 localizes to the plasma membrane of transformed cells. In planta feeding of C14 or C13-labelled tZ suggests that it acts as an efflux pump and its presence in the cells directly correlates with the transport of the fed cytokinin. Therefore, AtABCG14 is a transporter likely involved in the long-distance translocation of cytokinins in planta.