实验确定化合物在植物发育中的重要新作用

木质素是一种分子纤维，可以让植物长高并输送水分，研究人员对木质素进行操控后意外地发现，木质素的合成对植物发育的影响比之前预想的更为深远。

普渡大学生物化学杰出教授克林特·查普尔(ClintChapple)表示：“我的实验室长期以来一直致力于研究我们可以在多大程度上改造植物，特别是木质素生物合成途径。”“在构成植物体的所有成分中，木质素是最容易操纵的成分。它会产生影响。纸浆和造纸过程实际上就是去除木质素。”

木质素还影响动物原料和生产生物燃料的植物生物质的质量。“多年来，我们在这方面取得了一些重大成功。但我们遇到了一系列无法​​解释的观察结果，”查普尔说。

查普尔的团队对化学前体的流动进行了基因改造，这些化学前体为拟南芥(一种广泛使用的实验植物物种)中木质素生物合成的途径提供了原料。

“当我们采取两种各自效果很好的策略并将它们结合起来时，我们并没有获得协同效应，而是得到了只有几英寸高的植物。我们对此感到非常困惑，”查普尔回忆道。

研究人员提出了四个主要观点来解释这一现象。“对于哪一个或哪一个是正确的存在很大的不确定性，”获得博士学位的法比奥拉·穆罗-维拉纽瓦(FabiolaMuro-Villanueva)说。2020年在普渡大学获得生物化学博士学位。

为了了解更多信息，穆罗-维拉纽瓦花了几年时间进行艰苦的实验，测试各种植物源化学物质对数千种植物的影响。最终，她找到了一种通过提供一种名为松脂醇的化合物来恢复植物生长的方法。Muro-Villanueva、Chapple和来自普渡大学和其他地方的九位合著者在《美国国家科学院院刊》杂志上发表了他们的发现。

“它似乎是一种类似激素的生长化合物，”现任哈佛大学分子和细胞生物学博士后研究员穆罗-维拉纽瓦说。

在这项工作的早期阶段，穆罗-维拉纽瓦观察到植物侧根(构成根系的分支)产生的变化。它们的根毛产生也发生了变化，而根毛对于吸水很重要。

拟南芥植物，其中一些是正常的，另一些则表现出矮化。图片来源：法比奥拉·穆罗-维拉纽瓦

“这些是植物发育的方面，实际上与木质素没有太大关系，”查普尔说。

研究人员向植物中添加了一种称为松柏醇的化合物，这是木质素形成的关键前体化合物。这导致根毛长得又大又正常，而不是看起来又短又变形。

“这确实非常出乎意料，”查普尔指出。“这些化合物在植物中似乎有一些我们以前没有意识到的功能。”

到目前为止，植物科学家普遍认为松脂醇仅作为木质素的组成部分。“我们的证据表明，它不仅仅是取代木质素中的一个组成部分。我们不知道其中的机制，但我们认为这里有一个更大的故事，”穆罗-维拉纽瓦说。

这些发现为一长串工厂能力增添了新的见解。

“植物是优秀的化学家。它们产生各种本质上有趣的化合物，”查普尔说。总的来说，它们制造了数十万种化合物，尽管它们单独通常专门研究与特定植物相关的特定化合物。

“它们具有许多功能。它们使植物能够抵抗紫外线。所以基本上，植物自己制造防晒霜，”他说。它们还可以阻止昆虫和细菌的侵袭。从人类的角度来看，其中一些化合物赋予我们的食物风味或香气，而另一些则提供药用特性。

“这是基础研究，”查普尔说。“但是，如果我们要通过操纵植物来优化这些过程来推动生物燃料的发展，那么我们必须彻底了解这些途径和化学物质在植物发育中的作用，这一点很重要。”

否则，他担心研究人员可能会将新开发的品种投入实际应用，结果却发现它无法按预期发挥作用，因为他们对关键生物合成途径能做什么和不能做什么缺乏批判性的理解。

“我们需要更好地了解植物如何感知和响应这些化合物，”查普尔说。“它们的缺失是如何导致这些矮化效应和根部发育的改变的?”