名古屋大学社生命转化分子研究所（Institute of Transformative Bio-Molecules（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人组成的研究团队宣布，与关西学院大学理学部的村上慧副教授等共同发现了能够抑制植物气孔开放的天然化合物。这种化合物通过十字花科植物中含有的异硫氰酸苄酯（BITC）抑制作为气孔开放引擎的细胞膜质子泵的作用来抑制气孔开放。此外，研究团队还成功通过改变该化合物的结构，在提高活性的同时抑制了副作用。这一成果有望应用于农作物抗旱剂和鲜切花保鲜剂的开发。相关研究成果已发表在国际学术期刊《Nature Communications》5月15日号上。
植物的表皮上有很多气孔，负责吸收光合作用所需的二氧化碳等气体进行气体交换。气孔由一对保卫细胞组成，响应太阳光中的蓝光而打开，因黑暗条件和干旱压力下生物合成的植物激素脱落酸而关闭。
此前，研究团队已经明确了气孔开放的主要机制，同时还通过基因改造植物的实验证实了，通过促进气孔开放可增加植物体的光合作用活性和产量，并且气孔容易关闭的植物抗旱性更强。另一方面，由于基因改造植物难以普及，为了在不依赖基因改造的情况下控制气孔开放，研究团队筛选了3万种影响气孔开放的化合物，并报告了气孔开放抑制剂SCL。尽管已证实将SCL喷洒在玫瑰叶切片上会抑制萎蔫，但由于SCL只对特定的植物种类起作用，因此存在活性弱的问题。
此次，名古屋大学的研究团队寻找了以更低浓度广泛作用于植物物种、毒性低且有效抑制植物气孔开放的化合物。还采用在气孔研究中使用的圆叶鸭跖草（Commelina benghalensis）的气孔，结合上次的筛选，对380种现有化合物库进行了再筛选。
筛选的结果发现了异硫氰酸苄酯（BITC）。BITC是一种苯环上带有一个NCS（异硫氰酸酯）基的化合物，常见于芥末和山葵等的辛辣成分，是十字花科植物的天然代谢产物。已知其植物体具有防虫害和抗细菌及真菌的效果，但在植物内部的作用机制尚未明确。
研究团队将一种强行激活细胞膜质子泵的药物涂到圆叶鸭跖的气孔时，气孔大幅度张开，但如果事先涂上BITC，则气孔就不会张开。作为细胞膜质子泵活性化指标的磷酸化也受到事先涂有BITC的气孔和叶肉细胞的抑制。
研究团队将BITC直接涂在菊花的鲜切花叶子上并去水后，与（未涂抹）对照组进行比较后发现，涂有BITC的菊花的枯萎得到了抑制。
研究团队还进一步研究了提高BITC活性的化合物的开发，与关西学院大学的村上副教授共同制作了40种在BITC上附加了各种官能团的化合物，并验证了其效果。
结果显示，添加了多个NCS基的化合物的类似物（超级ITC）的活性相较于BITC得到飞跃性的提高。具有两个NCS基的m-Bis-BITC 表现出17倍的活性，而具有3个NCS基的Tris-BITC表现出66倍的活性。此外，这种活性在m-Bis-BITC中也高于脱落酸，可用BITC的50分之1的用量，对菊花的鲜切花起到抑制枯萎的效果。此外，相较脱落酸效果持续时间更长（48小时以上），并且副作用（叶尖枯萎）也得到减轻。
在一项使用种植在土壤中的白菜杯苗的实验中，相比对照组（未涂抹）在去水后24小时内枯萎，涂了m-Bis-BITC的白菜在经过相同时间后仍然保持水分，并证实可以在长时间内获得抗旱性。此外还证实，即使持续涂抹在植物上也不会对生长产生不良影响。
即使是超级ITC，效果也会在几天内消失，因此被认为具有高度安全性。据研究团队称，今后在与合作公司促进产品化的同时，还将进一步推进筛选和安全性评估。
原本就是一种香料
相原特任讲师表示：“在应用方面，由于这种化合物原本就是作为香辛料在人类饮食文化中司空见惯的物质，所以即使在人类摄取的食物用途方面，也可期待开发出确保安全性的保鲜剂等。至于超级ITC，则有望被应用于鲜切花等的保鲜，以及赋予干旱地农作物抗旱性等广泛的植物和应用领域。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Identification and improvement of isothiocyanate-based inhibitors on stomatal opening to act as drought tolerance-conferring agrochemicals
DOI：10.1038/s41467-023-38102-7
