新发现了抑制植物气孔开口、防止蔫了的天然物！ ~真实身份是辣味成分、分子改造，用途广泛~

发布日期：2023-06-22    点击次数：67

【本研究要点】作为抑制气孔开口的药剂，鉴定了十字花科植物天然物的异硫氰酸酯类注1 )异硫氰酸苄酯( BITC )注2 )。作为BITC的作用点，明确了“抑制作为气孔开口引擎的细胞膜质子泵注3 )的活性化”。开发了改良BITC的分子结构，大幅强化了抑制活性的超级异硫氰酸酯(超级ITC )。据悉，超级ITC具有超过植物激素脱落酸( ABA )注4 )的气孔开口抑制活性，且还显示出延长作用时间和减轻副作用的优势。证实了超级ITC具有抑制切花枯萎和赋予土壤植物抗旱性的效果。【研究概要】国立大学法人东海国立大学机构名古屋大学变形生命分子研究所( WPI-ITbM※)的木下俊则教授、佐藤绫人特任副教授、相原悠介特任讲师等研究小组通过与关西学院大学理学部村上慧副教授等的共同研究，发现了抑制植物气孔开口的天然物，在此基础上，成功开发了大幅提高活性的分子。在本研究中，新发现了作为气孔开口抑制剂的十字花科植物中含有的天然物异硫氰酸苄酯( BITC )。 据悉，该化合物通过抑制作为气孔开口引擎的细胞膜质子泵的作用，防止气孔打开。 并且，对BITC的分子结构进行了各种各样的改变，成功开发出了最多比天然物显示出6.6倍强大的气孔开口抑制活性，并且副作用少的“超级ITC”分子。将这些化合物喷洒在菊花的切花和土壤中的白菜上时，明显可以抑制干燥引起的叶子枯萎。 有望作为切花和插花的保鲜剂和农作物的抗旱性赋予剂使用。本研究成果将在2023年5月15日(日本时间)的英国科学杂志《Nature Communications》上在线公开。【研究背景和内容】植物的表皮上存在很多气孔，植物通过这个孔吸入光合作用所需的二氧化碳，另外，进行蒸发和氧气的释放等与大气的气体交换。 一个气孔由一对孔边细胞构成，响应太阳光中包含的蓝色光而开口。 另一方面，气孔会被响应黑暗条件和干燥应力而生物合成的植物激素脱落酸( ABA )封闭(图1 )。 蓝光照射孔边细胞时，光受体光素注5 )被激活，在细胞内诱导信号传导。 这个信号激活细胞膜质子泵，之后钾离子进入孔边细胞内，最终气孔开口(图2 )。 细胞膜质子泵的激活是产生气孔开口驱动力的重要反应，但蓝色光是如何激活质子泵的，信号传递的详细情况尚不完全清楚。

图片

图1气孔的开闭及其作用气孔在蓝色光的作用下开口，被黑暗处理和干燥胁迫下生物合成的植物激素脱落酸( ABA )封闭。 气孔作为光合作用所需二氧化碳的唯一进入口。

图片

图片

图片

图2蓝光作用下气孔开口的信号传递蓝光被光敏素接收，激活细胞膜质子泵，诱导钾离子( K+ )进入。 由此，渗透压上升，水被吸收，孔边细胞的体积增加，从而气孔开口。 本研究表明BITC可抑制细胞膜质子泵的直接磷酸化和伴随的活化。 BLUS1、BHP和PP1是被认为参与信号转导的信号转导因子。研究小组迄今为止通过全面探索化合物库注6 )，发现并报告了多种影响气孔开口的化合物( 2018年4月6日的新闻发布会“发现了抑制气孔开口的新化合物！ )。 其中，命名为SCL1的化合物发挥了很高的气孔开口抑制效果，通过涂抹该化合物可以延缓植物的枯萎，这表明其有可能作为抗旱性赋予剂。 但是，这些化合物在叶面喷洒上的效果很低，因此抑制气孔开口和抑制枯萎的效果有限。因此，研究小组利用含有来自天然化合物的现有化合物文库进行了化合物筛选，发现十字花科植物产生的天然产物异硫氰酸苄酯( BITC )显示出高的气孔开口抑制活性。 通过详细分析，发现BITC通过抑制作为开口引擎的细胞膜质子泵的作用，气孔不会打开(图2 )。 此外，发现BITC只需直接涂抹在菊花的叶子上，就能起到延缓枯萎的保鲜效果(图4上)。接着，与有机合成化学的小组共同尝试了比BITC活性更高的衍生物(超级ITC )的开发。 用鸭跖草调查其效果的结果，发现将对活性重要的异硫氰酸根(-N=C=S )增加到两个、三个的类似物分别显示出了飞跃性的提高了17、66倍的强力活性(图3 )。 从可以更长时间抑制气孔开口和可以减轻BITC具有的副作用的方面来看，这些超级ITC具有超过具有强抑制气孔开口活性的植物激素脱落酸( ABA )的活性已被证明。 此外，还发现超级ITC对土壤中的植物(白菜)也具有长时间的抗旱性(图4下)。

图片

图3超级ITC的开发表明在BITC上加成多个异硫氰酸根(-NCS )的类似物在比BITC低得多的浓度下发挥了效果，活性大幅提高。

图片

图4 BITC及超级ITC对皱纹的抑制效果(上图)将BITC和超级ITC(m-bisBITC )处理为菊花切花，排水1.5小时后的情况。 与对照处理相比，蔫均被明显抑制。 为了发挥效果，m-bis-BITC的1/50的使用量就足够了。(下图)将超级ITC(m-bis-BITC )处理成盆栽白菜，去除水分24小时后的情况。 与对照处理相比，蔫被明显抑制。【成果的意义】本研究中发现了抑制气孔开口效果的BITC，是来自十字花科植物的天然产物。 作为植物中本来的作用，植物在受到伤害和压力时产生，作为保护自身免受虫害等的物质而被众所周知。 这次，研究小组表明了作为气孔开口的制动器发挥作用的可能性。BITC具有以下优异的特征: (1)来源于天然，且自古以来就被利用，对人体的安全性高；(2)即使处理成无损伤的叶子也能发挥效果的强力活性。 BITC作为山萮菜和芥末酱等辣味成分之一，自古以来在我们的饮食生活中就被人们所喜爱。 另外，还被用作天然来源的抗菌防霉剂。 除此之外，通过本研究，有望开发出对收获后的叶蔬菜的安全保鲜剂等新用途。 另外，此次开发的超级ITC，由于比BITC的浓度低得多，并且能发挥长期的效果，因此切花的保鲜剂和干燥地的耐干燥性赋予剂等有望得到广泛的利用。本研究是在科学技术振兴机构( JST ) ACT-X“生命与化学”[JPMJAX1911 :相原悠介]、先驱“植物分子的功能与控制”[JPMJPR22D1:相原悠介]、尖端低碳化技术开发( ALCA ) [JPMJAL1011 :木下俊则]、基础研究( s ) [20H05687 :木下俊则]、学术变革领域研究( a ) [20H05910 :木下俊则]的基础上进行的。【用語説明】注1 )异硫氰酸酯类:具有异硫氰基(-N=C=S )的有机化合物的总称。 天然由萝卜、山萮菜、ケッパー等十字花科植物产生，作为这些食品的辣味成分而闻名。 在植物细胞内作为前体葡萄糖酸盐储藏，受到伤害或压力时通过酶反应产生异硫氰酸酯。 已知具有高化学反应性，具有防止虫害、抵抗细菌和真菌的作用。注2 )异硫氰酸苄酯( BITC ) :苯环骨架上加成了甲基异硫氰基的化合物。注3 )细胞膜质子泵:以ATP为能量，从细胞内侧向外侧输送氢离子的初级输送体。 通过细胞膜形成的氢离子的浓度梯度被用作输送各种物质的二次输送体的驱动力。 众所周知，气孔边细胞被蓝光激活，形成掺钾的驱动力，引起气孔开口。注4 )脱落酸( ABA ) :是植物激素的一种，是应对干燥等胁迫而合成的。 诱导气孔关闭、种子休眠、生长抑制等。注5 )光敏素:植物特有的光受体，作为光引起的气孔开口的光受体发挥作用。 众所周知，除了气孔开口外，光敏素还作为光折射性和叶绿体光定位运动的光受体发挥作用。注6 )化合物库:是指收集了结构、分子量、膜透过性不同的化合物的套装。 在这次的研究中，使用了含有来自天然的化合物的、收集了381种现有化合物的数据库。【论文信息】杂志名称: Nature Communications论文标题:“identificati on and improvement of iso thiocyanate-based inhibitors on stomatal opening to act as drought tolerance–confering age作者: *相原悠介、前田文平、后藤栞奈、*野元美佳、*高桥宏二、藤茂雄、叶文秀、*户田阳介、内田真美、浅井绘里、*多田安臣、*佐藤绫人、*伊丹健一郎、村上慧、*木下俊则( * :名古屋大学教师)DOI: 10.1038/s41467-023-38102-7【研究者联系方式】东海国立大学机构名古屋大学变形生命分子研究所( WPI-ITbM )特任讲师相原悠介e-mail:y aihara [ at ] bio.Nagoya-u.AC.jp东海国立大学机构名古屋大学变形生命分子研究所( WPI-ITbM )教授木下俊则tel:052-789-4778传真: 052-789-4778e-mail:kinoshita [ at ] bio.Nagoya-u.AC.jp关西学院大学理学部副教授村上慧tel:079-565-7601传真: 079-565-7605( tel fax为神户三田校区办公室学部运营入学考试科) e-mail:kei.Murakami [ at ] kwansei.AC.jp【JST事业相关事宜】科技振兴机构战略研究推进部先进融合研究组宇佐见健tel:03-6380-9130传真: 03-3222-2066E-mail:act-x[at]jst.go.jp【报道联系方式】东海国立大学机构名古屋大学宣传科tel:052-789-3058传真: 052-788-6272e-mail:nu _ research [ at ] ADM.Nagoya-u.AC.jp关西学院宣传室企划宣传科tel:0798-54-6017传真: 0798-51-0912e-mail:kg-koho [ at ] kwansei.AC.jp国立研究开发法人科学技术振兴机构总务部宣传科tel:03-5214-8404传真: 03-5214-8432E-mail: jstkoho[at]jst.go.jp【ITbM相关联系方式】东海国立大学机构名古屋大学变形生命分子研究所( WPI-ITbM )研究推广组织三宅惠子tel:052-789-4999传真: 052-789-3053e-mail:press [ at ] itbm.Nagoya-u.AC.jp※【关于※【WPI-ITbM】( http://www.itbm.nagoya-u.ac.jp )名古屋大学变形生命分子研究所( WPI-ITbM )于2012年作为文部科学省的世界顶级研究据点计划( WPI )之一被通过。WPI-ITbM利用具有精致设计功能的分子(化合物)，以阐明迄今为止尚未明确的生命功能为目标，同时，在化学家和生物学家比邻进行融合研究的混合实验室、混合办公室开展着化学和生物学的融合领域研究 以“混合”为关键词，发现并开发能戏剧性地改变人们思考、生活、行为的变换分子，致力于解决社会面临的环境问题、食物问题、医疗技术发展等各种课题。 迄今为止10年的努力得到了高度评价，被认定为世界顶级研究水平和优秀研究环境的研究基地“WPI学院”的成员。 本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请点击举报。