牵牛花内部复杂的细胞过程

　　

   

   

图片:由普渡大学农业学院生物化学杰出教授Natalia Dudareva和戴维森化学工程学院教授John Morgan领导的普渡大学研究小组发表了有关牵牛花释放挥发性有机化合物气味化学物质的分子过程的新细节。

来源:普渡农业通讯公司/汤姆·坎贝尔

生物学家，化学工程师合作揭示牵牛花内部复杂的细胞过程

曾几何时，主流科学观点可能会认为普渡大学科学家团队最近在《自然通讯》上发表的研究是不必要的。现在，气候变化的影响增加了对这方面研究的需求。

花朵散发出一种叫做挥发性有机化合物(VOCs)的气味化学物质。今年早些时候，普渡大学的研究小组发表了这篇论文，首次发现了一种蛋白质，这种蛋白质在帮助矮牵牛释放挥发物方面起着关键作用。这篇文章被选为该杂志编辑重点网页的“植物和农业”部分。

领导这项研究的Natalia Dudareva和她的长期合作伙伴John Morgan多年前在拨款提案中提出，分子过程可能与VOC排放有关。两次拨款审查人员都说没有什么可寻找的，因为简单的扩散就是答案。

“我们失败了两次，因为人们不相信我们，”杜达雷娃说，他是植物生物学中心主任和生物化学杰出教授。“我们决定，我们必须有证据证明这不是简单的扩散，而是涉及到分子机制。”

这项新工作建立在杜达雷娃和摩根合作在2015年和2017年宣布的发现基础上，这些发现显示了生物学如何帮助控制植物释放气味化合物。最新的论文主要由美国国家科学基金会和美国农业部资助，重点研究挥发物如何穿过细胞壁，细胞壁是分隔细胞内部和植物最外层保护层角质层的屏障。

化学工程教授摩根说:“我们正在研究是否有蛋白质可以促进这些小有机分子穿过细胞壁层的运输。”

“最好的类比是通过一种叫做肌红蛋白的蛋白质在肌肉组织中运输氧气。”

挥发性有机化学品是水溶性低的小分子。然而细胞壁是一个充满水的环境。这减缓了挥发性有机化合物的扩散速度，因为它们的浓度不能积聚得很高。

摩根解释说:“蛋白质可以在非水状腔内结合大量这些分子，从而改善或增加净运输速率。”

这项工作具有重大的实际意义，从地球的健康到工业运作。现在，植物每年排放100亿吨碳，随着全球变暖的持续，这个数量还会增加。花卉挥发物还有助于保护植物免受环境压力，在化妆品行业和芳香疗法中大量使用。

Dudareva说:“我们的饮食依赖于昆虫授粉的植物。”随着全球变暖，花朵可能会在昆虫开始授粉之前提前开放。

该团队2015年发表在《植物科学趋势》杂志上的论文报告了计算结果，计算结果确定了维持实验测量的花香发射速率所需的挥发物浓度。浓度达到了毫摩尔范围，这是化学家用来量化含有大量分子或原子的物质的尺度。

Dudareva说:“这些化合物会在细胞膜内积聚，如此高浓度的化合物会破坏细胞膜并破坏细胞。”这留下了一个明确的结论:简单的扩散是不可能的。

最初的工作是为金鱼计算的。但普渡大学的研究人员将最新研究的重点放在矮牵牛上，因为与金鱼不同，矮牵牛可以通过基因改造来研究特定基因如何影响排放过程。

“用牵牛花研究要容易得多，因为排放量很高，尤其是在夜间，”主要合著者、前普渡大学博士后科学家、现为香港浸会大学生物学助理教授的潘辽说。“这种排放以昼夜模式受到严格控制。”

其他合著者包括前普渡大学博士后科学家Itay Maoz，他现在就职于以色列农业研究组织;施孟玲，化学工程2022年博士;在杜达列娃实验室工作的博士后科学家黄兴奇;以及生物化学研究生李智熙(Ji Hee Lee)。共同作者为这项工作贡献了互补的技能和专业知识，这已成为Dudareva和Morgan研究小组之间长期合作的标志。

Dudareva的小组培育了转基因植物，并处理了确定特定蛋白质是否会导致挥发性排放所需的细胞生物学。然而，没有办法检测细胞中蛋白质的水平或它们的浓度在细胞壁上是如何变化的。

然后，摩根的团队进行了量化蛋白质贡献的计算，并进行了计算机模拟来验证实验数据。

“在模型预测和实际数据之间得到反馈是很重要的，”摩根说。“有时从数据开始，然后我们进行数学计算，然后我们回过头来与数据进行比较。”

文章标题

Emission of floral volatiles is facilitated by cell-wall non-specific lipid transfer proteins