數(shù)億年來，植物在地球海洋中繁衍生息，遠(yuǎn)離陸地上的惡劣條件，如干旱和紫外線輻射。然后，大約4.5億年前，植物找到了一種方法來遷移：它們進(jìn)化出孢子 - 小的生殖細(xì)胞 - 最終花粉粒具有堅(jiān)韌的保護(hù)性外壁，可以承受陸地環(huán)境中的惡劣條件，直到它們能夠發(fā)芽并長成植物或使胚珠受精。

壁的一個關(guān)鍵組成部分是聚合物 - 一種由許多小亞基組成的大分子 - 稱為孢粉質(zhì)。它持久耐用，至今仍在所有陸地植物中無處不在，但在藻類中不存在。了解自然界中發(fā)現(xiàn)的聚合物的分子組成是生物學(xué)的基本追求，其悠久的歷史可以追溯到闡明DNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的早期，但是使孢粉質(zhì)對所有陸地植物如此重要的韌性也使得它很難研究人員要研究。

孢粉質(zhì)非常惰性并且能夠抵抗與其他化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)，包括研究人員通常用于確定其他植物生物聚合物(如多糖，木質(zhì)素和天然橡膠)的結(jié)構(gòu)。因此，幾十年來科學(xué)家一直在努力弄清楚孢粉質(zhì)聚合物是由什么制成的。現(xiàn)在，在今天發(fā)表在“ 自然植物 ”雜志上的一篇文章中，懷特黑德研究所成員Jing-Ke Weng和第一作者和Weng實(shí)驗(yàn)室博士后李福雙，以及合作者梅紅教授和化學(xué)系的研究生Pyae Phyo，使用創(chuàng)新的化學(xué)降解方法和最先進(jìn)的核磁共振(NMR)光譜來確定孢粉質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

“如果沒有開發(fā)出能抵御惡劣環(huán)境的方法，植物就無法在土地上進(jìn)行殖民化，”Weng說，他也是生物學(xué)的助理教授。“Sporopollenin幫助建立了我們所知的陸地生態(tài)系統(tǒng)。”

除了解決植物化學(xué)中長期存在的難題之外，確定孢粉質(zhì)的結(jié)構(gòu)為其在許多其他應(yīng)用中的潛在用途打開了大門。孢粉質(zhì)的惰性是在例如支撐開放阻塞的動脈的支架等醫(yī)學(xué)植入物的開發(fā)中復(fù)制的理想屬性，以防止裝置和身體之間的負(fù)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，其惰性可防止與水中的化合物發(fā)生反應(yīng)，從而保護(hù)船體免受環(huán)境惡化。

尋找孢粉質(zhì)的形狀和組成不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。第一個挑戰(zhàn)是獲得足夠的材料進(jìn)行研究，因?yàn)榭蓮拇蠖鄶?shù)植物收集的花粉量很少。然而，來自松樹(Pinus rigida)的花粉在中國大量銷售，作為米餅的澆頭。因此翁使用了一種非常規(guī)的樣本采集方法：他要求他在中國的父母向他運(yùn)送大量的松樹花粉。

確定復(fù)雜植物聚合物結(jié)構(gòu)的常用方法是將其溶解在具有特定化合物的溶液中，這些化合物將其分解成越來越小的碎片，從中可以推斷出完整的結(jié)構(gòu)。但由于孢粉質(zhì)是惰性的并且不與研究人員通常的化學(xué)物質(zhì)干反應(yīng)，因此找出如何分解分子是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

為了解決這個問題 - 并使sporopollenin更容易溶解--Li使用一種特殊設(shè)計(jì)的研磨機(jī)，稱為高能球磨機(jī)，將微小的花粉層物理剪切成更細(xì)的碎片。然后他開始測試不同的化學(xué)混合物，找到可以將孢粉質(zhì)聚合物分解成更易接近的碎片的化合物。

當(dāng)他嘗試一種叫做硫代酸解的化學(xué)降解過程時(shí)，取得了重大突破，這是一種酸催化反應(yīng)，含有一小撮特殊的含硫化合物。這使得Li能夠始終將總孢粉聚合物的50%分解成小塊，每個碎片的結(jié)構(gòu)逐一解析。

為了幫助完成這個難題，研究人員與麻省理工學(xué)院化學(xué)系的梅紅小組合作，使用魔角旋轉(zhuǎn)固態(tài)核磁共振光譜，通過使它們與磁場相互作用來確定不溶性化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)調(diào)查縮小了孢粉質(zhì)的可能結(jié)構(gòu)。結(jié)合更多化學(xué)降解測試來驗(yàn)證某些可能性并消除其他可能性，最終導(dǎo)致了完整的結(jié)構(gòu)。

隨著sporopollenin的結(jié)構(gòu)，研究人員隨后能夠識別這種獨(dú)特聚合物的各個方面，使其成為孢子和花粉的良好保護(hù)壁。

一個關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，孢粉質(zhì)分子含有兩種類型的交聯(lián) - 酯和縮醛 - 其作用類似化學(xué)夾，將分子鏈結(jié)合在一起。其他已知的植物聚合物僅具有一種主要類型的交聯(lián)，并且這種獨(dú)特的特征可能提供孢粉質(zhì)的極端化學(xué)惰性。酯鍵對堿性條件具有抗性，而縮醛對酸性條件具有抗性，這意味著該分子不會在野外或?qū)嶒?yàn)室的任何一種環(huán)境中分解。

研究人員發(fā)現(xiàn)孢粉質(zhì)的其他成分包括已知可提供紫外線防護(hù)的多種分子，以及脂肪酸，這些脂肪酸具有防水性，可保護(hù)孢子和花粉免受干旱或其他水分變化的影響。

研究人員現(xiàn)在正在尋找物種間孢粉素的差異。松樹不是開花植物，但是大多數(shù)農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥感興趣的植物都是，因此翁和李正在研究孢粉質(zhì)如何隨著開花植物的進(jìn)化而變化。

“由于我是一名學(xué)生，受到DNA結(jié)構(gòu)的宏偉發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)，我一直在努力發(fā)現(xiàn)自然界的基本形式，”翁說。“照亮植物中這種重要生物聚合物的結(jié)構(gòu)是非常有益的。”