上海生科院發現生理活性優于天然脫落酸的人工類似物

　　10月30日，中國科學院上海生命科學研究院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究組，以Combining chemical and genetic approaches to increase drought resistance in plants為題的研究論文，在線發表在Nature Communications上。該研究利用有機化學、生物化學、分子生物學和結構生物學等手段，獲得一種小分子化合物AMF4，其與脫落酸（ABA）受體的親和性較ABA提高十倍以上，外施在植物葉片上可以用來節水和抗旱。結合遺傳手段提高ABA受體基因表達，使用該化合物可更大幅度地增強植物的抗旱性。

　　干旱是造成農作物減產的主要環境因素之一。世界銀行的數據表明，每年農作物產量損失超過半數由干旱造成。ABA被認為是專一對抗干旱等環境脅迫的植物激素，干旱環境可誘導植物合成大量ABA，加速氣孔關閉，誘導脅迫相關基因的表達，從而提高植物的抗旱性。ABA受體PYL蛋白家族在高等陸生植物中高度保守，因此外施ABA可普遍適用于常見農作物和經濟作物。目前，ABA存在合成純化困難且在自然光下極易分解等缺點，并未像其他植物激素一樣廣泛應用于農業生產中，因此尋找可提高植物抗旱性的ABA功能類似物，具有應用潛力和市場價值。

　　朱健康研究組在此前工作中篩選到一個ABA功能類似物AM1（ABA mimic 1），該化合物在生化與植物生理實驗中表現出與ABA相似的受體親和性和生理活性，可通過結合PYL受體激活ABA信號通路，從而增強植物的抗旱性。通過深入比較AM1和ABA的受體-配體復合物晶體結構，研究人員進一步優化AM1的分子結構，使其更好地與受體結合，從而得到一個新的ABA類似物AMF4。與AM1相比，AMF4可與PYL受體形成更多的氫鍵，導致其受體親和性較ABA高出一個數量級。進一步研究證明，AMF4具有與ABA高度相似的調控基因表達模式，表明AMF4借助植物體內的ABA信號通路發揮作用。在模式植物擬南芥和作物大豆中進行的一系列生理實驗表明，AMF4可在較ABA更低的濃度下抑制氣孔開放且持續時間更久。與ABA相比，噴施AMF4的植物表現出更強的抗旱性。在擬南芥和大豆中過表達ABA受體家族成員PYL2可進一步放大AMF4化合物的效果，化合物與遺傳改良植物聯用存在協同作用，其對植物抗旱能力的提升要顯著優于單獨使用化合物或在植物體內過表達PYL2。研究表明，借助于傳統遺傳手段，AMF4可幫助農作物更有效地對抗自然界中的干旱脅迫，從而提出通過跨學科交叉來提高作物抗逆性的新理念及技術實現。

　　研究工作得到中科院的相關經費資助。

A.ABA（左）與AMF4（右）的化學結構式。ABA或AMF4與受體形成相同或相似氫鍵的側鏈用相同顏色標出，AMF4形成的氫鍵鍵能要高于ABA的相應氫鍵。B.ABA與AMF系列化合物的PYL受體結合能力。其中AMF4（綠色）的受體親和性較ABA（紅色）高出一個數量級。C.PYL2-AMF4-HAB1與PYL2-AM1-HAB1的結構比較。與AM1（紫色）相比，AMF4（綠色）中的氟原子可與PYL2的N173形成氫鍵。D.AMF4與PYL2過表達植物（PYL2ox）聯用存在協同效應。外施AMF4或過表達PYL2均可提高大豆的抗旱性，而對PYL2過表達植株外施AMF4則可進一步增強大豆的抗旱性。E.外施AMF4可顯著降低大豆葉片的蒸騰作用。與ABA相比，同濃度的AMF4可更有效的降低蒸騰作用，且持續時間更長，導致更高的葉面溫度。