Nature子刊：尚轶/马永硕等揭示葫芦素的转运分子机制

2022年8月1日，发表在《Nature Plants》上的一项最新研究中，来自云南师范大学、中国农业科学院农业基因组研究所、华南农业大学、首都师范大学、南京农业大学和麻省理工学院等多家单位共同完成的题为“Root-secreted bitter triterpene modulates the rhizosphere microbiota to improve plant fitness”的论文。该研究报道了葫芦科瓜类作物苦味物质葫芦素转运分子机制，并发现植物从根表皮细胞外排葫芦素改变根际微生物群落组成，进而提高植物对枯萎病的抗性。

目前已发现的植物三萜化合物超过20000余种，它们在植物和环境互作中发挥着重要作用，也是药物、保健品及化妆品的重要来源。因此，阐明植物三萜化合物合成、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产物的合成及调控机制，而关于植物三萜转运的机制研究较少，相关转运蛋白此前也未见报道。

葫芦素是葫芦科植物特有的三萜类化合物，具有令人不悦的苦味。蔬菜或水果在可食用部位积累葫芦素将严重影响其商品品质。另一方面，葫芦素具有很好的抗虫、保肝、消炎、抗癌等功效。在前期研究中，研究团队围绕葫芦素生物合成、调控、驯化及结构多样性等方面开展了系统性研究。

在这项新研究中，研究团队首先明确甜瓜、西瓜可从根部向土壤中外排葫芦素B和葫芦素E。接着，利用组学大数据，从甜瓜、西瓜基因组中分别鉴定到一个MATE转运蛋白基因（CmMATE1和ClMATE1）。该基因不仅与葫芦素合成基因成簇分布，且被前期发现的葫芦素调控因子直接调控。同时利用酵母微粒体体系和卵母细胞表达体系证明了CmMATE1/ClMATE1可运输葫芦素B及葫芦素E。CmMATE1/ClMATE1基因编辑突变体进一步证明了该转运蛋白参与了植物体内葫芦素的转运，且该转运过程受到葫芦素生物合成调节。

根际微生物组被称为植物的“第二基因组”，可影响植物根系的生长发育、根系对生物和非生物的抗性以及根系对营养摄取等过程。近年来，研究人员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。

在明确植物通过CmMATE1/ClMATE1外排葫芦素B/E至根际土壤的基础上，该团队通过分析了根际微生物16S rRNA及宏基因组测序数据，发现甜瓜根系分泌葫芦素B可招募特定的根际菌群并增强植物的抗病性。进一步通过分离土壤根际微生物及体外实验，研究团队发现，葫芦素B可促进根际肠杆菌生长，解除了葫芦素B对根际典型拮抗细菌——芽孢杆菌的抑制作用，从而提高了根际芽孢杆菌丰度，并建立了甜瓜对土传病原菌——镰刀菌的有效防御。

甜瓜从根系分泌葫芦素B提高抗病性模型

论研究同通讯作者、云南师范大学马铃薯科学研究院教授尚轶说：“葫芦素首先在细胞质中合成，随后被锚定在细胞质膜上的MATE转运蛋白所捕获，并被转运至胞外，最后分泌到土壤中发挥作用。”

值得一提的是，该团队在黄瓜中也发现了葫芦素的转运分子机制。在黄瓜中，葫芦素在叶片中合成，它的转运也依靠MATE转运蛋白，将葫芦素储存在液泡中。而液泡是植物储存各类有害物质的细胞器，这也算是植物自我保护的一种机制。

尚轶说，育种家可利用转运蛋白可作为育种分子靶标，培育出可分泌高浓度葫芦素的优质抗病新品种。同时，本研究有助于提高葫芦素在有害生物综合治理中的应用前景。

虽然葫芦素具有重要的药用价值，但是原料获取难度大。其转运蛋白的发现，将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。

论文链接：

https://doi.org/s41477-022-01201-2