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湘雅药学校友会新闻
我院98级校友李福双博士在Nature Plants杂志发表封面文章
2019-11-12 08:37   综合办


李福双博士是我院98级本科生,毕业后留校工作并攻读完成了硕士、博士学位,2013年到美国做研究至今。李博士长期师从湘雅药学院的开拓者之一谭桂山教授从事天然产物学研究,2019年,李福双博士在花粉壁的分子结构研究方面取得重大突破,其研究成果以封面文章的方式在Nature Plants(IF:13.297)杂志2019年第一期发表,这是继2017年以来李福双博士在该期刊发表的第2篇高水平学术论文。

这里我们转发一篇李福双博士撰写的有关研究趣事的科普文章,以飨读者。


 


一把臭臭的化学剪,揭开了最强高分子的面纱

原创: 贤父 又说贤话 前天

2016年5月,我带着家人来到麻州南部的罗德岛度假,把她们安排在一处海滩玩耍后,我一个人匆匆潜入了海岸附近的丛林里,这个季节正是松树播撒花粉的时间,我要抓住这个时间窗采集足够多的松花粉,用以研究。

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扫描电子显微镜下花粉外形有丰富的多样性,第一个即为松树花粉


谈起花粉,人们首先想到的是过敏,是花蜜,或者鲜艳的花朵。然而你可曾想到,小小花粉,其实藏着自然演化最神奇的力量!这些不起眼的小粉末,不但进化出如此丰富的多样性,还拥有这个世界上最强大的高分子外壳——花粉壁(sporopollenin)。靠着花粉壁惊人的物理化学稳定性,万千植物得以从容的或播撒孢子,或风媒传粉,或争奇斗艳招蜂引蝶。脆弱的遗传物质在花粉壁的保护下得以在大自然严酷的环境下代代相传。地球漫长的历史时期化石量最多的是什么,不是恐龙,不是三叶虫,而是大量的花粉化石!花粉壁超强的稳定性使得它们在各个阶段化石层稳定存在。这些化石是研究植物演化和地球历史的重要依据。


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约6500万年前,第五次生物大灭绝前后的花粉化石,形态更加多样,但大部分植物如今已经灭绝 ,(Cretaceous Research 30 (2009) 632–658)


花粉壁到底由什么构成,这个问题困扰了人类二百多年。由于其超强的稳定性,裂解甚至溶解它都异常困难,面对这样一种物质,科学家往往束手无策。我们成功揭示了DNA,RNA, 五花八门的各种生物大分子的结构,但对花粉壁却知之甚少......。我把整整一袋子松花粉丢进了车后箱,决心在痛苦的实验开始前,还是好好的玩个够。
接下来的几年里,这一袋子松花粉受尽了我的折磨,各种酸的,碱的,氧化的,蒸的,煮的,高压的,甚至强腐蚀的王水,我全部试了个遍!花粉壁真强,它岿然不动!只有超强氧化能粉碎它,但我要的不是粉碎!出土的古代瓷器残片太碎了,就拼不出原样了!穷途末路之际,又轮到我给组会报告,苦于没有数据,我尝试了一个我最最不想做的,巨臭无比的实验——乙硫醇thioacidolysis。那天,整个三楼疯狂了,短短一米的距离,我将反应液从通风橱转移至旋蒸仪,乙硫醇美妙的臭味就弥散了整个实验室,隔壁
Weinberg组马上就有人过来探班了!没想到,实验结果出奇的好,有碎片了,整整齐齐四五个峰(化合物),有了它们,就能拼出花粉壁这个大Lego了!太激动了,分离纯化都是小事,我在药物所张老师那里打下了坚实的基础。结构鉴定才考验实力,拿到碎片不知道是啥,更悲催。捧着一堆辛辛苦苦得到的NMR(核磁共振图谱,用以解析小分子化合物结构,我的最爱)图,我打了鸡血一样解析,左拼装,右组合。终于,花粉壁第一个奇妙的monomer(高分子的单体)被我发现啦!16个碳长长的链,7号位置优雅的连接一个对羟基香豆酸(p-coumaric acid)!经科(我的老板)得知这个好消息也欣喜若狂。随后,更多的monomer纷纷解析出来。花粉壁结构的大门轰然打开,无数奇妙的发现接踵而至:16个碳的长长碳链,通过独特的缩醛键,连在另一个高聚体上,而这个高聚体,竟与人工合成的高分子材料pva(聚乙烯醇)有着惊人相似的结构。植物早在4亿年前就发明了这么高强的结构!缩醛键,长链碳,对羟基香豆酸的引入,使得花粉壁的强度和稳定性大大超过了pva。

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花粉壁的化学结构,Nature Plants用2019年第一期封面文章报道了这一发现

困扰科学家二百多年的花粉壁的结构豁然开朗了,很多研究都可以重新开启,植物如何生成花粉壁?这是合成生物学要解决的问题。我们如何模拟合成超强高分子,这是合成化学要解决的问题。这些研究我们实验室都在如期展开!

放下那一袋松花粉,在研究进入的又一个春天里,我走遍了哈佛植物园的每个角落,拜访了Ucoon和Smith College两所著名的植物温室,采集了一百多科植物的花粉,涵盖整个植物界。我将用这把臭臭但神奇的化学剪,揭开植物进化史上最神秘的一页——花粉壁的分子进化。敬请期待......



论文原文(2019):https://www.nature.com/articles/s41477-018-0330-7

论文原文(2017):https://www.nature.com/articles/nplants2017109




 

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