2024年3月22日，Science雜志發表了中國科學技術大學生命科學與醫學部孫林峰團隊聯合比利時根特大學Eugenia Russinova團隊的研究突破，題為“Structure and function of the Arabidopsis ABC transporter ABCB19 in brassinosteroid export”。該研究中，團隊鑒定了植物中首個油菜素甾醇（Brassinosteroid，BR）跨膜運輸蛋白，即擬南芥ABCB19蛋白，并闡釋了該蛋白的工作機制。這項成果填補了BR激素信號研究領域的關鍵空白，對理解BR激素調控植物生長發育具有重要意義。

油菜素甾醇類激素是繼生長素、脫落酸、細胞分裂素、乙烯和赤霉素之后發現的第六大類植物激素。BR的鑒定過程十分漫長且艱難。早在1941年，美國學者Mitchell等人發現玉米花粉提取物可以促進大豆第二節間和細胞的伸長，但是當時并不知道具體原因。1970年，他們從油菜花粉中粗提出一種活性物質，可以促進大豆的節間伸長，將其命名為“油菜素（brassins）”，當時猜測這可能是某種脂肪酸。直到1979年，Grove等人優化純化工藝，從227 kg蜜蜂采集的油菜花粉中提取了4mg活性物質，并通過X-射線及質譜等手段確定了化學結構，最終揭開了該物質的神秘面紗。原來它是一種甾醇類物質，甾環中含有一個酯基，故將其命名為“油菜素內酯（也稱蕓苔素內酯）”，這也是植物中發現的第一個甾醇類激素。

隨著BR受體以及合成酶等突變體的鑒定和發現，研究者們逐漸意識到BR在植物生長調控中的重要性，并在1996年將其列為第六大類植物激素。迄今為止，至少已從植物中分離出60多種天然油菜素甾醇激素化合物，這些化合物統稱為油菜素甾醇BR。BR可以調控植物體的生長、開花和結果等多個方面，還可以提高植物對于干旱、鹽堿等環境以及病蟲害等脅迫的適應性。BR在極低濃度下就可以促進植物生長，生物活性相當高。因此，BR的施用十分經濟實惠，只需要微量的BR處理就可以顯著提高作物產量，增強免疫力和抗逆性，目前已經在農業中有著廣泛應用。隨著城鄉人民生活水平的提高，人們對農產品的安全和品質提出了更高要求，這就給BR及BR類似物這類高效廣譜、無毒害作用的新型植物生產調節劑帶來了廣闊的發展空間和前景。

BR分子通過其信號通路發揮調節作用。目前，關于BR的合成、代謝以及信號轉導過程已經有了一定研究。BR在細胞內部進行生物合成，但是卻在細胞外被受體識別，從而引發下游信號。由于在合成過程中，BR分子被加上多個親水基團，導致其直接通過擴散作用跨越細胞膜屏障的能力下降。它是如何從細胞內運輸至細胞外發揮作用的，這一過程仍然未知，也是BR研究領域亟待解決的科學問題。

擬南芥ABCB19蛋白最初被作為另一種重要的植物激素，生長素的轉運蛋白被鑒定，并被領域內廣泛接受。但是其突變體植株的表型與經典的生長素運輸蛋白突變體的表型并不完全一致。并且通過研究團隊的前期實驗發現，生長素并不能像底物一樣顯著促進ABCB19蛋白的ATP酶活性。因此，團隊大膽懷疑ABCB19是否具有其它運輸底物？

團隊為此建立了基于ATP酶活性檢測的底物篩選策略，意外發現在測試的多種植物激素中，BR分子能夠顯著促進ABCB19蛋白的ATP酶活性。同時，團隊也建立了一套基于脂質體和放射性標記底物的轉運體系，證明了ABCB19蛋白在脂質體中能轉運BR分子。為了看清ABCB19蛋白的樣貌，團隊利用冷凍電鏡技術解析了它的高分辨率三維結構，同時非常直觀的觀察到了ABCB19蛋白是如何結合、“裝載”BR分子的。進一步的，孫林峰團隊與Eugenia Russinova團隊深度合作，利用植物遺傳學、生理學手段，在植物細胞內證實了ABCB19蛋白能夠向細胞外外排BR分子，并且正向調控植物的BR信號。這些結果證實了ABCB19的“隱藏功能”，讓我們重新審視該蛋白的生理作用。

圖.擬南芥ABCB19蛋白參與BR信號調控。

綜上，這項研究成果鑒定了植物中首個BR轉運蛋白ABCB19，系統揭示了ABCB19識別、運輸油菜素內酯的分子過程，填補了BR信號通路的研究空白。未來針對該家族蛋白的進一步功能分析和改造，將為我們理解、利用BR信號促進農業生產提供更多幫助。這也為靶向該蛋白的小分子化合物的開發設計，以期作為農藥和植物生長調節劑用于農業生產，提高作物產量和抗逆性提供更多思路。

中國科學技術大學孫林峰團隊一直致力于對植物激素運輸過程的研究。2022年，團隊報道了植物中生長素極性轉運蛋白PIN1的高分辨率結構，并結合功能實驗闡釋了PIN1蛋白的工作機制（Nature，2022）；2023年，解析了植物首個脫落酸外排蛋白ABCG25的結構，系統闡釋了ABCG25蛋白轉運脫落酸的過程（Nature Plants，2023）。團隊針對油菜素甾醇轉運蛋白ABCB19的工作，是在植物激素運輸研究領域的另一項重要成果。

中國科學技術大學生命科學與醫學部博士研究生應偉和魏宏，以及比利時根特大學Yaowei Wang、YongmingLuo為該論文共同第一作者，中國科學技術大學生命科學與醫學部劉欣副教授、孫林峰教授和比利時根特大學Eugenia Russinova教授為共同通訊作者。中國科大生醫部譚樹堂教授、奧地利ISTA研究所Ji?í Friml教授，以及中國科大冷凍電鏡中心高永翔博士等參與了該項研究工作并提供了重要幫助。研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項基金（B類）、安徽省自然科學基金、中央高校基礎科研業務費專項資金及中國科學技術大學統籌推進世界一流大學和一流學科建設專項資金等項目的資助，以及教育部無膜細胞器與細胞動力學重點實驗室、合肥微尺度物質科學國家研究中心、生物醫學與健康安徽省實驗室等的大力支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adj4591

（生命科學與醫學部、科研部）