Nature Plants | 上海师范大学/上海中医药大学联合解析油菜孢粉素的结构

责编 | 王一

孢粉素是所有陆生植物孢子和花粉外壁的结构物质。在植物演化过程中，孢粉素也是4.5亿年前植物登陆 (terrestrialization) 所必需的保护性物质，防止植物孢子遭受紫外损伤，并抵抗干燥环境。以孢粉素为研究对象产生了一门交叉学科---孢粉学 (Palynology)。具有物种特异性的孢粉素形态是植物分类学的重要依据之一。孢粉素广泛保留在地层中成为化石，应用于煤和石油等矿产的探寻，以及古生态、古环境、古地理和古气候学的研究。作为天然多孔的生物纳米材料，孢粉素也被开发为药物和食品补充剂的载体、免疫调节剂、紫外线阻断剂以及有毒污染物的补救剂。

由于孢粉素具有极高的化学惰性，对其结构进行解析一直是一项巨大的挑战，受到科学家们的广泛关注。有研究者认为，孢粉素是人类目前最后，也最不被了解的一种生物聚合物。经过全世界科学家近百年的努力，从孢粉素部分降解产物中分离到少数几个化合物。近几年，杨仲南、李来庚、周奕华和陈万生课题组合作，从分子、遗传和细胞水平揭示孢粉素中可能存在的化合物 (Xue et al., Molecular plant 2020; Xue et al., Plant Physiology 2023)。在此基础上，杨仲南和陈万生课题组合作，找到了一个彻底降解油菜孢粉素的方法。在分离鉴定到22种组分的基础上最终确定孢粉素的结构。相关研究成果于近日以Polymeric phenylpropanoid derivatives crosslinked by hydroxyl fatty acids form the core structure of rape sporopollenin为题发表在Nature Plants上。

孢粉素溶解产物的分离和鉴定

该研究找到了一个适合孢粉素化学分离和解析的溶解方法。通过乙醇胺降解和化学分离的手段，从油菜孢粉素中分离和鉴定到了22种组分，包括13种酰胺化的脂肪酸（化合物1-13：C2:0、C16:0、16-OH-C16:0、C16:1、C18:0、18-OH-C18:0、C18:1、C18:2、C18:3、C20:0、20-OH-C20:0、C22:0和22-OH-C22:0）、酰胺化的对羟基香豆酸（14）、4-羟基苯乙烯（15）、酰胺化的苯甲酸（16）、酰胺化的间甲基苯甲酸（17）、酰胺化的双环单萜（18）、酰胺化的烯酮六环（19）、酰胺化的异戊二烯衍生物（20）、β-谷甾醇（21）和聚合苯丙烷类衍生物（图1）。

图1. 油菜孢粉素中共分离和鉴定到的21种小分子化合物

聚合苯丙烷类衍生物是孢粉素结构的关键组分

利用13C-NMR、1H-NMR、1H的异核多碳相关谱（HMBC）、和异核多量子关系（HMQC）和热裂解气相质谱（py-GC-MS）解析了孢粉素中的聚合苯丙烷类衍生物结构。结果发现该聚合物由对羟基香豆酸（p-CA）、对羟基苯甲酸（p-BA）、愈创木酰木质素单体（G）和羟基肉桂醇（M）等构成，并通过α-α'、α-β'、β-β'和α-5'等碳碳键的交叉偶联结构进一步聚合（图2）。

图2. 油菜孢粉素聚合物中的单体组成和偶联方式。

（A）聚合物中的单体。(B) 聚合物中的单体组成和偶联方式。

羟基脂肪酸和聚合苯丙烷类衍生物构成孢粉素的核心结构

基于NaOH处理、部分降解和拟南芥孢粉素突变体分析，本研究确定了孢粉素的结构。这一结构可以区分为不影响形态的外周孢粉素，和碱不敏感的核心孢粉素。羟基脂肪酸和聚合苯丙烷类衍生物是核心孢粉素的关键组分。羟基脂肪酸通过脂键将聚合苯丙烷类衍生物交联，构成孢粉素的核心结构。核心结构可以进一步通过脂键与柚皮素，脂肪酸和β-谷甾醇等外周物质相连，形成孢粉素的整体结构（图3）。该研究计算了孢粉素核心结构的化学稳定性和疏水性，发现其与已知孢粉素的理化性质相吻合。油菜孢粉素结构的解析将促进植物生殖发育这一关键过程的理解，以及孢粉学这一交叉学科的发展。

图3. 油菜孢粉素的分子模型

上海师范大学杨仲南教授和上海中医药大学陈万生教授为本文的通讯作者。在读博士研究生陈枭，黄豆豆老师，薛景石副研究员为论文的共同第一作者。上海师范大学黄继荣教授和王娜老师对本研究和论文撰写方面提供了帮助和宝贵意见。上海师范大学在读博士研究生张铭淇，在读硕士研究生卜江贺和郭明强参与了该论文的实验。本研究由国家重点研发计划，国家自然科学基金，上海市教育委员会，上海市教委创新计划资助。

参考文献：

Xue JS†, Zhang BC†, Zhan HD†, Lv YL, Jia XL, Wang TH, Yang NY, Lou YX, Zhang ZB, Hu WJ, Gui JS, Cao JG, Xu P, Zhou YH, Hu JF, Li LG*, Yang ZN*. 2020. Phenylpropanoid derivatives are essential components of sporopollenin in vascular plants. Molecular Plant 13: 1644-1653.

Xue JS†, Qiu S†, Jia XL†, Shen SY†, Shen CW†, Wang S, Xu P, Tong Q, Lou YX, Yang NY, Cao JG, Hu JF, Shen H, Zhu RL, Chen WS*, Yang ZN*. 2023. Stepwise changes in flavonoids in spores/pollen contributed to terrestrial adaptation of plants. Plant Physiology 31: 627-642.

Chen X†, Huang DD†, Xue JS†, Bu JH, Guo MQ, Zhang MQ, Chen WS*, Yang ZN*. 2024. Polymeric phenylpropanoid derivatives crosslinked by hydroxyl fatty acids form the core structure of rape sporopollenin. Nature Plants. Doi: 10.1038/s41477-024-01825-6.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01825-6