小小油菜花 植物科研“大功臣”

房裕東

每年春夏是油菜花盛開的季節(jié)。我國地大物博，不同地區(qū)的氣候差異較大，油菜花開放的時間也不盡相同：在南方的云南，人們在2月份就可見到盛開的油菜花；但在北方的青海，人們可能要等到7月份才能欣賞到黃燦燦的油菜花。不管何時，微風下?lián)u曳的油菜花都像金黃的精靈一般，吸引著絡繹不絕的游客前往欣賞。

油菜全身都是寶：幼苗可作蔬菜食用；花是重要的蜜源植物；種子的含油量為35%～50%，可用來榨油；榨油之后的油渣富含蛋白質，是良好的動物飼料……油菜不僅是重要的農作物，還是推動中國植物科學研究的“大功臣”。

第二次世界大戰(zhàn)結束后，全球人口數(shù)量迅速上升，各國植物學家都希望找到能讓作物快速生長的“神藥”，以解決迫在眉睫的糧食短缺問題。美國科學家米切爾發(fā)現(xiàn)，某些植物的花粉落到雌蕊柱頭上后萌發(fā)出的花粉管生長得非常迅速，于是決定從花粉入手尋找能讓植物快速生長的物質。功夫不負有心人，1941年，米切爾發(fā)現(xiàn)玉米花粉中的某種物質能有效促進豌豆莖部細胞的伸長。不過，想要將這種物質從花粉中提取出來，并非易事。米切爾研究小組用了近30年的時間，終于從油菜花粉中提取出了一種能促進植物莖稈伸長和細胞分裂的高活性物質，并將它命名為“油菜素”。米切爾認為它是一種新的植物激素，僅使用極小量就可顯著促進植物生長。不過，也有科學家認為，米切爾并不能確定“油菜素”的具體化學成分，也不清楚它在植物體內的作用機制，所以不能貿然將其歸為植物激素。

米切爾的研究成果引起了美國農業(yè)部的注意，他們認為“油菜素”具有非常廣闊的應用前景，于是啟動了一項長達十年的計劃，希望分離和純化“油菜素”中的活性物質，并通過對它的研究來促進農業(yè)生產(chǎn)。嘗試了多種方法后，美國農業(yè)部的科學家們終于從227千克油菜花粉中提取出了10毫克活性物質。經(jīng)鑒定，這種活性物質是一種醇類小分子物質，它被命名為油菜素內酯（Brassinolide，BR）。油菜素內酯廣泛存在于植物的組織器官中，雖然含量極低，卻對植物生長發(fā)育的各個階段起著非常重要的作用，包括種子萌芽、莖伸長、根發(fā)育、葉片形狀發(fā)育與衰老、運輸系統(tǒng)的分化、花粉管伸長、植物免疫和抗逆反應等。

雖然在農業(yè)應用上，油菜素內酯已被證實能促進農作物的生長、增強農作物對各種逆境的抵抗性，但人們一直不明確它在植物體內的具體作用機制。直到20世紀90年代，在擬南芥遺傳學研究興起的基礎上，科學家們才證實了油菜素內酯在植物體內的生理功能，油菜素內酯也于1998年被正式列為植物激素。至此，油菜素內酯仿佛一把“鑰匙”，打開了細胞生長與伸長的大門，科學家們迫切地想弄明白植物是如何感受油菜素內酯，而油菜素內酯又是如何打開細胞之門的。

談及對油菜素內酯在植物體內功能的研究，就不得不提到中國科學家做出的卓越貢獻。

20世紀90年代，美國加州大學圣迭戈分校的史蒂芬·克勞斯教授從擬南芥入手，欲尋找細胞上油菜素內酯的受體（即所謂的“鎖”），但幾經(jīng)波折未能成功。沒想到，美國索爾克生物研究所的喬安妮·喬瑞教授（美國著名遺傳學家和植物學家）卻誤打誤撞地從上萬個基因中成功找到并定位了這把“鎖”，即BR受體蛋白（BRI1）。

找到受體后，接下來的工作便是弄清楚它的結構，從而了解作為“鑰匙”的油菜素內酯究竟是如何與它進行作用的。當時參與這項研究工作的有三位中國科研人員，他們是李建明、王志勇和王學路，均為喬瑞教授實驗室的博士后。他們分別從不同角度剖析了受體的結構與功能。

最先開始研究的是李建明。他發(fā)現(xiàn)受體是一種跨過細胞膜的蛋白質，這種蛋白質在細胞膜外側和內側有著不同的功能：在細胞膜外側（胞外區(qū)）時，負責與油菜素內酯結合，也就是“鑰匙”插入的部位；在細胞膜內側（胞內區(qū)）時，負責將油菜素內酯的信號傳遞給細胞，也就是“鎖住門”。除此之外，還有一個連接這兩大部分的跨膜區(qū)。

接著，王志勇針對胞外區(qū)進行了一系列深入研究。動物體內與油菜素內酯結構類似的笛醇類小分子激素，一般都是直接穿過細胞膜進入細胞內部；而王志勇的研究證明，植物體內的油菜素內酯并不是直接進入細胞，而是依靠細胞膜表面的受體傳遞信號。也就是說，油菜素內酯是直接且特異性地與受體胞外區(qū)進行結合的。

王學路則從胞內區(qū)入手，研究受體是如何被打開并引發(fā)下游反應的。他發(fā)現(xiàn)，當細胞膜外沒有油菜素內酯時，受體處于失活狀態(tài)，胞內區(qū)同源二聚化；而當油菜素內酯進入后，二聚化會被解開，受體也轉變成激活狀態(tài)。受體被激活后，還需要在一個蛋白共作用因子的幫助下才能夠向下傳遞BR信號，這個共作用因子是共受體激酶BAK1，它的發(fā)現(xiàn)主要歸功于黎家教授。黎家教授長期從事植物激素油菜素甾醇領域的研究，在闡明其生物合成、代謝調控及信號轉導的分子機理方面做了許多原創(chuàng)性工作。

在研究油菜素內酯的受體方面，包括上述幾位在內的中國科學家做出了巨大貢獻。他們現(xiàn)在早已是世界植物激素領域舉足輕重的人物。在這些科學家的帶領下，中國植物科學研究飛速發(fā)展，目前處于國際領先地位。毫不夸張地說，正是那一朵朵小小的油菜花，推動了中國植物科學研究的巨大進步。