生物学家化学工程师合作揭示牵牛花内部复杂的细胞过程

曾几何时，流行的科学观点可能已经宣布普渡大学科学家团队最近在Nature Communications上发表的研究是不必要的。现在，气候变化的影响增加了对这一研究领域的需求。

花朵会散发出称为挥发性有机化合物(VOC)的气味化学物质。今年早些时候，普渡大学的研究小组发表了这篇论文，首次确定了在帮助牵牛花排放挥发物中起关键作用的蛋白质。这篇文章被选入该期刊编辑亮点网页的“植物和农业”部分。

领导这项研究的纳塔利娅·杜达列娃(Natalia Dudareva)和她的长期合作者约翰·摩根(John Morgan)多年前在拨款提案中提出，分子过程可能参与VOC排放。两次资助审查者都说没有什么可寻找的，因为简单的扩散就是答案。

“我们失败了两次，因为人们不相信我们，”植物生物学中心主任兼生物化学杰出教授杜达雷娃说。“我们决定我们必须有证据证明这不是简单的扩散，涉及分子机制。

这项新工作建立在Dudareva-Morgan合作于2015年和2017年宣布的研究结果之上，这些发现显示了生物学如何帮助控制植物中气味化合物的释放。最新论文的重点是挥发物如何穿过细胞壁，细胞壁是将细胞内部与植物最外层保护层角质层分开的屏障。

“我们正在研究是否存在促进这些小有机分子穿过细胞壁层的蛋白质，”化学工程教授摩根说。

“最好的类比是通过一种叫做肌红蛋白的蛋白质在肌肉组织中运输氧气。

挥发性有机化学物质是水溶性低的小分子。然而，细胞壁是一个充满水的环境。这减慢了VOC的扩散速度，因为它们的浓度不能很高。

“发生的事情是蛋白质可以在非水样腔内结合许多这些分子，它改善或增加了净传输速率，”摩根解释说。

这项工作具有重大的实际意义，从地球的健康到工业运营。现在，工厂每年排放10亿公吨碳，随着全球变暖的持续，这一数量将增加。花卉挥发物还有助于保护植物免受环境压力，并大量用于化妆品行业和芳香疗法。

“我们的饮食依赖于昆虫授粉的植物，”杜达雷娃说。随着全球变暖，花朵可能会在昆虫准备好开始授粉之前更早开始开花。

该团队2015年发表在《植物科学趋势》杂志上的论文报告了确定维持实验测量的花卉排放率所需的挥发物浓度的计算。浓度达到了毫摩尔范围，化学家用来量化含有大量分子或原子的物质。

“这些化合物会积聚在膜内，如此高的浓度会破坏膜并破坏细胞，”Dudareva说。这留下了一个明确的结论：简单的扩散是不可能的。

最初的工作是针对金鱼草计算的。但普渡大学的研究人员在他们的最新研究中专注于牵牛花，因为与金鱼草不同，它们可以进行基因改造，以研究特定基因如何影响发射过程。

“处理牵牛花要容易得多，因为排放量很高，尤其是在夜间，”主要合著者、前普渡大学博士后科学家潘辽说，他现在是香港浸会大学生物学助理教授。“排放以昼夜模式受到严格监管。

其他合著者是Itay Maoz，前普渡大学博士后科学家，现为以色列农业研究组织;施孟玲，博士，2022，化学工程;在杜达列娃实验室工作的博士后科学家黄兴琦;和生物化学研究生Ji Hee Lee。合著者为这项工作贡献了互补的技能和专业知识，这已成为杜达雷瓦和摩根研究小组之间长期合作的标志。

Dudareva的小组产生了转基因植物，并处理了确定给定蛋白质是否有助于挥发性排放所需的细胞生物学。然而，没有办法检测细胞中蛋白质的水平或它们的浓度如何在细胞壁上变化。

然后由摩根的小组进行量化蛋白质贡献的计算，并进行计算机模拟以验证实验数据。

“在建模预测和实际数据之间获得反馈很重要，”摩根说。“有时它从数据开始，然后我们去做数学，然后我们回去与数据进行比较。

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