植物无法移动，因此在长期演化过程中，形成了一类三萜化合物，其在植物与环境互作过程中，发挥着吸引虫媒、防御病害天敌以及信号传递等重要作用。目前已发现的植物三萜化合物超过2万种。对人类而言，它们是药物、保健品及化妆品的重要来源。
近日，云南师范大学、中国农业科学院农业基因组研究所、华南农业大学等多家单位共同完成的一项研究，解析了葫芦科瓜类作物中的一种三萜化合物——葫芦素的转运分子机制；同时，还发现植物通过从根表皮细胞外排葫芦素，来改变根际微生物群落组成，进而提高对植物枯萎病的抗性。相关研究论文在线发表于著名国际期刊《自然·植物》。
高价值葫芦素原料获取难度大
在吃黄瓜时，人们常会在瓜的两头尝到一股难言的苦意，这就是葫芦素在“作怪”。
在前期研究中，团队针对葫芦素生物合成、调控、驯化及结构多样性等方面展开了系统性研究，在葫芦科瓜类作物——黄瓜、甜瓜、西瓜中发现了3个葫芦素合成基因簇，共涉及21个基因。团队还发现了直接调控葫芦素合成基因簇的6个转录因子，其中发生在果实葫芦素调控基因Bt启动子上的突变，是人类驯化葫芦科瓜类作物果实苦味性状的关键。
一方面，葫芦素可以有效抵御昆虫和其他动物的啃食，在维持植物的生存、繁衍中发挥着不可或缺的作用；另一方面，此前的研究表明，葫芦素具有很好的抗虫、保肝、消炎、抗癌等功效。
“但由于葫芦素获取难度大，制约了它的广泛应用。”论文共同通讯作者之一的云南师范大学马铃薯科学研究院教授尚轶告诉科技日报记者。因此，阐明其合成、调控及运输机理，不仅将为作物品质与抗性育种提供分子靶标，也是利用合成生物学技术开发这些植物天然产物商业价值的前提。
目前，绝大多数研究集中于解析植物三萜化合物的合成及调控机制，而关于植物三萜化合物转运机制的研究较少，相关转运蛋白也未见报道。
葫芦素“借刀杀人”对付有害菌
与人的肠道微生物群类似，根际微生物组往往被称为植物的“第二基因组”，可影响其根系生长发育、根系对生物和非生物的抗性以及根系对营养的摄取等过程。
近年来，人们发现植物根系产生的次生代谢产物在选择性塑造根际微生物组方面发挥着重要作用，然而这些代谢产物从根系转运到根际土壤及其调控根际微生物组的作用机制并不清楚。
“甜瓜、西瓜中的葫芦素首先在根表皮细胞的细胞质中合成。”尚轶说。随后，葫芦素被锚定在细胞质膜上的MATE转运蛋白捕获，并被转运至植物“体外”，最后进入土壤中。尚轶说，研究团队首先利用水培方式，发现甜瓜和西瓜根部可以向营养液中分泌葫芦素B和葫芦素E；在土壤中种植瓜类作物，其根际土壤中也检测到大量的葫芦素。
“瓜类作物的根部合成葫芦素等三萜化合物，需要消耗很多能量，但合成后却将其外排到土壤中，看起来是一种资源‘浪费’，但这其中必有道理。”尚轶说，深入研究后，他们发现，实际上甜瓜向土壤中外排葫芦素B，是为了提高自身的抗性。
镰刀菌广布自然界，是一种能引起小麦、水稻和蔬菜病害的真菌。研究团队研究发现，葫芦素B对土传病原菌——镰刀菌并没有直接杀伤力，因此他们推测葫芦素B可能间接影响了根际镰刀菌丰度。
“通过分析根际微生物及宏基因组测序数据，并结合体外生化实验验证，我们发现甜瓜根系分泌的葫芦素B可作为碳源诱导根际肠杆菌生长，而肠杆菌又可促进拮抗细菌——芽孢杆菌富集，芽孢杆菌可以对镰刀菌产生抗性，从而建立起植物的防御机制。”论文共同第一作者、南京农业大学资源与环境学院副教授荀卫兵说。
新发现带来作物选育新思路
研究人员对瓜类植物天然产物转运机制，以及转运蛋白如何调控植物根际微生物组的研究，为深入开发利用瓜类植物的潜能，提供了新的思路。
“此前，对葫芦素调控机制的解析，为利用葫芦素抗虫的特性培育优质新品种提供了分子靶标。”尚轶说，黄瓜育种专家已利用这一机制培育出“叶苦抗虫、果实不苦”的优质新品种，解决我国华南地区黄瓜易变苦的难题，相关成果获得了2018年度国家自然科学奖二等奖。
此外，葫芦素合成机制的解析，为利用合成生物学技术异源高效合成葫芦素提供了先决条件。在此基础上，葫芦素转运蛋白的发现，将进一步加速葫芦素合成生物学研究。“通过转运蛋白实现或加速葫芦素定向胞外运输，从而降低其对细胞生长的负担或毒性，有利于提高葫芦素产量，同时也可以简化葫芦素的纯化流程。”尚轶说。
此项研究，也有助于提高葫芦素在有害生物综合治理中的应用前景。(本报记者 赵汉斌)