葫芦科植物主要乳胶样蛋白(MLPs)与多环芳烃(PAHs)结合亲和力调控地上部污染物积累的分子机制

本研究针对葫芦科作物易富集多环芳烃(PAHs)污染的关键科学问题，通过计算模拟与体外实验相结合，系统揭示了主要乳胶样蛋白(MLPs)结合腔体积与PAHs结构特异性识别的分子机制，发现CpMLP-GR3对大型PAHs的强结合特性，为通过MLP功能调控培育低污染安全作物提供了理论依据。

　　

在农业生产中，葫芦科作物如黄瓜、南瓜和西葫芦存在一个令人担忧的特性——它们会通过根系吸收土壤中的多环芳烃(PAHs)等疏水性有机污染物，并将这些有害物质大量积累在可食用的地上部分。这种现象不仅威胁食品安全，更可能通过食物链导致人体健康风险。传统观点认为疏水性污染物主要富集在植物根部，但葫芦科植物却打破了这一规律，其背后的分子机制一直是学界关注的焦点。

日本大阪府立大学（Osaka Prefecture University）的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》发表的研究，首次从分子层面揭示了主要乳胶样蛋白(Major latex-like proteins, MLPs)作为"污染物运输载体"的关键作用。研究人员通过AlphaFold2预测9种葫芦科MLPs的三维结构，结合CASTp腔体分析、AutoDock Vina分子对接等计算生物学方法，以及体外荧光猝灭实验等技术，系统研究了MLPs与不同结构PAHs的相互作用机制。

关键技术方法
研究采用计算与实验相结合的策略：1) 使用ColabFold平台基于AlphaFold2预测MLPs三维结构；2) 通过CASTp在线工具计算蛋白腔体体积；3) 运用AutoDock Vina进行分子对接模拟；4) 体外荧光猝灭法测定结合常数；5) 高效液相色谱分析木质部汁液PAHs含量。实验材料涵盖南瓜、黄瓜等5种葫芦科作物。

2-1-1. Cavity analysis of cucurbit MLPs and their structural characteristics
结构分析显示，葫芦科MLPs具有40-99.7 ?³的疏水腔体，其中西葫芦CpMLP-GR3腔体最大(99.7 ?³)。这些腔体由21个保守的疏水氨基酸构成，其体积差异主要源于L3环的结构变化，这为解释不同MLPs的底物选择性提供了结构基础。

3-1-1. 分子对接与体外结合实验的相关性
研究发现计算对接能量与实验测定的结合常数存在显著相关性(r=0.71)。特别值得注意的是，CpMLP-GR3对苯并[a]芘等大分子PAHs表现出最强的理论结合能力(-8.9 kcal/mol)，但体外实验显示其对菲的结合常数最高(1.7×10⁵ M^-1)，揭示计算与实验数据在特定情况下的不一致性。

木质部汁液PAHs含量与MLPs亲和力的关系
在栽培品种比较中发现，南瓜木质部汁液中PAHs浓度与MLPs的体外结合常数呈正相关(r=0.89)，证实MLPs结合能力直接影响污染物转运效率。特别是含3-4个苯环的PAHs，其积累量与MLPs腔体体积呈显著正相关。

结论与意义
该研究首次定量阐明了葫芦科MLPs腔体结构特征与PAHs结合特异性的构效关系，提出"腔体体积-苯环数量"匹配模型：1) 小腔体MLPs(如丝瓜LcMLP2)偏好2环PAHs；2) 大腔体MLPs(如西葫芦CpMLP-GR3)可容纳4-5环PAHs。这一发现为分子设计育种提供了明确靶点——通过基因编辑调控MLPs的L3环构象，可定向改造作物降低污染物富集能力。研究建立的"计算预测-实验验证"研究范式，也为其他污染物-载体蛋白互作研究提供了方法论参考。

从农业生产角度看，该成果突破了传统通过土壤修复降低污染物吸收的技术瓶颈，开创了从植物内在转运机制入手的生物减排新思路。特别是提出的MLPs功能调控策略，有望在不影响作物品质的前提下，培育出"低污染积累"的安全品种，这对保障食品安全和人体健康具有重要实践价值。