研究人员揭示了孢粉质聚合物的详细分子结构

数亿年来，植物在地球海洋中繁衍生息，远离陆地上的恶劣条件，如干旱和紫外线辐射。然后，大约4.5亿年前，植物找到了一种方法来迁移：它们进化出孢子 - 小的生殖细胞 - 最终花粉粒具有坚韧的保护性外壁，可以承受陆地环境中的恶劣条件，直到它们能够发芽并长成植物或使胚珠受精。

壁的一个关键组成部分是聚合物 - 一种由许多小亚基组成的大分子 - 称为孢粉质。它持久耐用，至今仍在所有陆地植物中无处不在，但在藻类中不存在。了解自然界中发现的聚合物的分子组成是生物学的基本追求，其悠久的历史可以追溯到阐明DNA和蛋白质结构的早期，但是使孢粉质对所有陆地植物如此重要的韧性也使得它很难研究人员要研究。

孢粉质非常惰性并且能够抵抗与其他化学物质的反应，包括研究人员通常用于确定其他植物生物聚合物(如多糖，木质素和天然橡胶)的结构。因此，几十年来科学家一直在努力弄清楚孢粉质聚合物是由什么制成的。现在，在今天发表在“ 自然植物 ”杂志上的一篇文章中，怀特黑德研究所成员Jing-Ke Weng和第一作者和Weng实验室博士后李福双，以及合作者梅红教授和化学系的研究生Pyae Phyo，使用创新的化学降解方法和最先进的核磁共振(NMR)光谱来确定孢粉质的化学结构。

“如果没有开发出能抵御恶劣环境的方法，植物就无法在土地上进行殖民化，”Weng说，他也是生物学的助理教授。“Sporopollenin帮助建立了我们所知的陆地生态系统。”

除了解决植物化学中长期存在的难题之外，确定孢粉质的结构为其在许多其他应用中的潜在用途打开了大门。孢粉质的惰性是在例如支撑开放阻塞的动脉的支架等医学植入物的开发中复制的理想属性，以防止装置和身体之间的负面相互作用。它也可以是耐用油漆和涂料的良好模型，例如在船上使用的那些，其惰性可防止与水中的化合物发生反应，从而保护船体免受环境恶化。

寻找孢粉质的形状和组成不是一项简单的任务。第一个挑战是获得足够的材料进行研究，因为可从大多数植物收集的花粉量很少。然而，来自松树(Pinus rigida)的花粉在中国大量销售，作为米饼的浇头。因此翁使用了一种非常规的样本采集方法：他要求他在中国的父母向他运送大量的松树花粉。

确定复杂植物聚合物结构的常用方法是将其溶解在具有特定化合物的溶液中，这些化合物将其分解成越来越小的碎片，从中可以推断出完整的结构。但由于孢粉质是惰性的并且不与研究人员通常的化学物质干反应，因此找出如何分解分子是一项关键挑战。

为了解决这个问题 - 并使sporopollenin更容易溶解--Li使用一种特殊设计的研磨机，称为高能球磨机，将微小的花粉层物理剪切成更细的碎片。然后他开始测试不同的化学混合物，找到可以将孢粉质聚合物分解成更易接近的碎片的化合物。

当他尝试一种叫做硫代酸解的化学降解过程时，取得了重大突破，这是一种酸催化反应，含有一小撮特殊的含硫化合物。这使得Li能够始终将总孢粉聚合物的50%分解成小块，每个碎片的结构逐一解析。

为了帮助完成这个难题，研究人员与麻省理工学院化学系的梅红小组合作，使用魔角旋转固态核磁共振光谱，通过使它们与磁场相互作用来确定不溶性化合物的化学结构。这项调查缩小了孢粉质的可能结构。结合更多化学降解测试来验证某些可能性并消除其他可能性，最终导致了完整的结构。

随着sporopollenin的结构，研究人员随后能够识别这种独特聚合物的各个方面，使其成为孢子和花粉的良好保护壁。

一个关键的发现是，孢粉质分子含有两种类型的交联 - 酯和缩醛 - 其作用类似化学夹，将分子链结合在一起。其他已知的植物聚合物仅具有一种主要类型的交联，并且这种独特的特征可能提供孢粉质的极端化学惰性。酯键对碱性条件具有抗性，而缩醛对酸性条件具有抗性，这意味着该分子不会在野外或实验室的任何一种环境中分解。

研究人员发现孢粉质的其他成分包括已知可提供紫外线防护的多种分子，以及脂肪酸，这些脂肪酸具有防水性，可保护孢子和花粉免受干旱或其他水分变化的影响。

研究人员现在正在寻找物种间孢粉素的差异。松树不是开花植物，但是大多数农业和医药感兴趣的植物都是，因此翁和李正在研究孢粉质如何随着开花植物的进化而变化。

“由于我是一名学生，受到DNA结构的宏伟发现的启发，我一直在努力发现自然界的基本形式，”翁说。“照亮植物中这种重要生物聚合物的结构是非常有益的。”