这种橄榄花粉的坚硬外部的格子结构由孢粉质组成，这是一种非常坚硬和惰性的材料，两个世纪以来一直无法进行彻底的科学分析。
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当马萨诸塞州剑桥怀特黑德研究所的生物化学家和研究科学家李福双需要一些花粉进行研究时，他知道该去哪里。每年春天，康科德瓦尔登湖周围的松树都会释放出金色的花粉云，这些花粉覆盖在水面上，并聚集在岸边的银河漩涡中。亨利大卫梭罗在 1840 年代在池塘边生活了两年，他通过描述如此多的花粉来结束他对这段经历的著名描述，“你可以收集一桶花粉。”
身穿黑色连帽衫和运动裤的李蹲在池塘边，用试管蘸着水，抽出几百毫升的水，里面装满了花粉和其他生长在里面的东西。这远远不是一桶的东西，但对于李先生研究花粉外壳分子结构的努力来说已经绰绰有余了。这种被称为孢粉质的材料非常坚硬，有时被称为植物界的钻石。
一个多世纪以来，科学家们一直试图了解孢粉素无与伦比的强度的化学基础。孢粉素保护花粉和孢子中的 DNA 免受光、热、冷和干燥的影响。没有它，植物将无法在陆地上生存。但孢粉素的韧性使其难以研究，即使是在纤维素、木质素和其他基本植物聚合物的分子结构被弄清了几十年之后。 “大自然进化出孢粉素来抵抗任何攻击，”李说。 “包括科学家在内。”
马萨诸塞州康科德的瓦尔登湖。
杰夫·利文斯顿
然而，最近，孢粉素的防御可能已经被克服。 2018年，在植物生物学家翁敬科的带领下，李和白石的其他研究人员发表了第一个完整的孢粉素结构。该团队的后续工作（其中一些尚未发表）已经详细说明了各种植物群体如何微调该结构以更好地满足其需求。他们提出的结构及其提供的对孢粉素的改进观点并非没有争议，但它阐明了该分子在帮助植物征服土地方面的重要作用。
惰性之谜
所有播种植物都会产生花粉；其他陆地植物，如苔藓，会产生孢子。携带植物繁殖所需遗传信息的一半，花粉和孢子通过风或有用的动物在环境中移动，到达它们物种的另一种植物并使其卵细胞受精。但在此过程中，花粉和孢子必须应对各种危险，从脱水到太阳紫外线再到饥饿的昆虫。自从植物在大约 4.7 亿年前首次在陆地上被发现以来，在受精过程中保持花粉和孢子中的遗传信息安全至关重要。
植物用来保护 DNA 的主要策略是将其包裹在特殊的孢粉质外壳中，这种外壳不受任何元素的影响，并且是任何生物产生的最坚硬的材料之一。它已在 5 亿年前的岩石中完好无损地被发现。 2016 年的一篇论文发现，由于孢粉质的稳健性，孢子在 10 吉帕斯卡或每平方英寸 725 吨的压力下保持其在金刚石砧中的稳定性。
所有有性繁殖的陆地植物都有释放孢子或花粉的结构，例如（从顶部）松树上的雄球果、百合花上的花药和俱乐部苔藓上的结构。
（从上到下）丹·凯克；尼尔·罗杰；科学之眼/科学来源
有性繁殖的陆地植物具有释放孢子或花粉的结构，例如（左起）松树上的雄球果、百合上的花药和苔藓上的孢子囊。
（左起）丹·凯克；尼尔·罗杰；科学之眼/科学来源
至少从 1814 年以来，研究人员就已经知道并想知道孢粉素。他们观察到，即使在花粉粒或孢子的其余部分被化学溶解掉之后，一种奇怪的物质仍然存在。在下个世纪的大部分时间里，那些在孢子和花粉中研究它的人是分开工作的，专门将其称为孢子素或花粉素。它在 1931 年被称为孢粉素，以安抚两个社区。
此后的几十年里，关于这种分子的知识在很大程度上以这个名字结束。研究人员认识到，孢粉素可能是了解植物如何征服地球上几乎所有栖息地的关键，他们梦想着将这种材料用于从船体涂层到保护口服疫苗中的脆弱蛋白质的各种用途。但获得孢粉素的结构和化学成分是任何进一步工作的先决条件，而孢粉素的一切努力都受挫。
化学家通常通过将复杂分子分解为其组成部分来确定其结构，找到它们的结构，然后将它们拼凑在一起。但是孢粉素太惰性，通常的化学试剂无法消化它。从 1960 年代开始，新的生化方法和质谱法在结构和化学成分上取得了一些进展，后来生物学家甚至从合成孢粉素的基因和酶促过程的知识中推断出一些细节。
花粉粒和孢子的形状和大小各不相同，但它们都被包裹在孢粉素的保护壳中，帮助它们生存。
然而，这些方法都不能提供分子的全貌。孢粉似乎有两个平行的骨架，由称为聚酮化合物的分子组成，与 DNA 双螺旋中的糖骨架没有什么不同。这些骨干似乎是通过不同类型的链接编织起来的。但是这个草图是不完整的，生化和遗传方法的一些发现相互冲突。
加拿大纽芬兰纪念大学化学和生物化学教授约瑟夫巴努布说：“每个人都同意的唯一一件事是碳、氢、氧组成的经验公式。”
完美的沥青松
李在 2014 年作为博士后加入怀特黑德研究所的翁实验室后不久就开始研究孢粉素。在肯德尔广场的剑桥社区，生物医学研究是主要的痴迷，实验室是人们研究植物的少数几个地方之一，研究重点是仍未定性的植物分子星系。
孢粉素对李来说是一个不可抗拒的挑战。它的功能是众所周知的，制造它的基因存在于每一种产生种子和孢子的植物中，这意味着孢粉素是一种基本的适应性，使植物在逃离海洋的一开始就能够在陆地上生活。 （某些种类的藻类也会产生类似孢粉质的物质，这表明陆地植物在进化过程中适应了这种分子的生物合成。）然而，这种能力背后的化学成分仍然很模糊。
怀特黑德研究所的研究科学家李福双前往瓦尔登湖收集松花粉进行一些实验。
詹姆斯·迪宁
如果李在早期的孢粉研究工作中使用了从瓦尔登湖水域收集的花粉，那将是富有诗意的。但便利胜过浪漫：他的团队最初研究的花粉是从亚马逊订购的。 （大量生产这种物质的松树花粉被广泛用作保健品。）其余的来自科德角。
几个月来，李和他的合作者对可以降解其他坚韧生物聚合物的化合物进行了反复试验。最终，他们开发了一种新的多步骤工艺，该工艺可以采集花粉样本，在球磨机中敲打它们，并对所含的孢粉分子进行化学破碎。每个分子的一半分解成六个不同的部分，然后可以通过质谱进行表征。
分子的另一半，他们称之为 R 基团（代表“顽固分子”），只有在与另一种溶解剂混合时才会分解。他们可以通过这种方式获得 R 的部分视图，但该过程会降低分子的其他特征，因此李的团队采用了一种更奇特的技术——固态核磁共振光谱法来表征它。
鲜花有所作为
这项工作的成果是 2018 年 12 月发表在Nature Plants上的一篇论文，提出了迄今为止最完整的孢粉素分子结构。
在谈话中，李用双手描述了结构错综复杂的形状。他用拇指和食指展示了芳香分子如何以交替的 L 形悬挂在骨架上。他通过将一只扁平的手以一定角度指向另一只手，就好像在进行某种奇怪的祈祷形式一样，展示了脊椎是如何与交联的。这些基本单元连接在一起形成完整的外壁壳，在不同的植物中呈现完全不同的形状，尽管基本的分子亚基基本相似。
该结构证实了孢粉质的耐寒性源于主干之间的各种编织连接。这些酯键和醚键分别耐碱性和酸性条件；他们一起抵制。 Li 团队提出的结构还包括几种已知能抵抗紫外线的芳香分子，这说明了孢粉素能够保护 DNA 免受元素侵害。
“如果没有这些代谢创新，植物一开始就无法从水迁移到陆地，”翁在给广达的电子邮件中写道。
美林谢尔曼/广达杂志
最近，李和他的同事使用他们的方法从美国东北部植物园收集的 100 多种不同的陆地植物物种中表征孢粉素。据准备提交研究结果以供发表的李说，孢粉素的结构在不同植物类型中以一种奇怪的模式变化。
他们发现裸子植物，包括苏铁和松树等针叶树的陆地植物群，以及苔藓和蕨类植物等所谓的低地陆地植物，往往具有长而相似的孢粉素。这是有道理的，因为这些植物随风散播花粉。他们需要长链孢粉素来保护它。
但在被子植物或开花植物中，情况更为复杂。它们的花朵遮蔽了花粉免受阳光和干燥的影响，昆虫有效地将花粉从一朵花转移到另一朵花，最大限度地减少了其他风险。因此，被子植物不需要它们的孢粉素如此均匀地健壮。
李说，制造长链孢粉素是一个耗能的过程，所以“当花朵进化时，它们不想再生产类似松树的孢粉素了。”根据李和翁的说法，被子植物、单子叶植物和双子叶植物两大类产生的孢粉素之间似乎发生了显着差异，它们的胚胎、脉管系统、茎、根和花的结构各不相同。
化石表明，自从植物第一次搬到旱地以来，它们就一直在制造孢子和花粉。
当然，区别也不是绝对的。李说，一些开花植物确实会产生具有松树状结构的孢粉素。 “也许如果我们再过 600 万年，它们可能会失去这些功能，”或者也许还有其他生态制衡机制在发挥作用，以保护某些植物群的孢粉质结构。
“进化不是一条线，”李说。 “就像鲸鱼一样。他们曾一度生活在陆地上；现在它们生活在海洋中。”然而，鲸鱼仍然具有一些陆地动物的特征。也许有些花粉保留了自己历史的过时痕迹。
神秘的聚合物
其他植物研究人员一致认为，李和翁对孢粉素的结构研究提高了我们对该分子的认识。但并非所有人都相信他们的提议是正确的，或者它结束了长达一个世纪的对孢粉质结构的研究。
“这比以前清楚多了，”上海师范大学研究孢粉素的生物学家杨中南说。 “但需要验证。”他说，李和他的同事仍然必须确定负责产生松树孢粉素某些特征所需的酶的基因。
据报道，俱乐部苔藓花粉中孢粉素的结构与松花粉孢粉素的结构不同，但科学家们仍然对这种差异的原因存在分歧。
2020 年一项旨在“揭开”孢粉分子结构的神秘面纱的研究提出了更直接的挑战。 Banoub 在纪念大学的研究小组使用了一系列方法并从青苔而不是松树中研究孢粉素，得出了一种结构，该结构在几个重要方面与 Li 和 Weng 提出的结构不同。最重要的是，Banoub 说：“我们已经证明孢粉质中没有芳香族化合物。”他认为，这种差异可能是由松树和俱乐部苔藓中的孢粉素之间的差异来解释的。
“我个人的看法是他们不正确，”李说，但在他的实验室的一些相关结果准备好发表之前，他不想进一步发表评论。
“它仍然是一种非常神秘的聚合物，”加拿大国家研究委员会研究孢粉素的植物生物学家 Teagen Quilichini 在一封电子邮件中评论道。 “尽管一些报告表明了这一点。”
坚韧但仍然可以食用？
尽管孢粉素的结构存在争议，但 Li 和翁实验室的其他人已经转向另一个进化问题：大自然是否想出了如何分解这种几乎坚不可摧的材料？
当他在瓦尔登湖附近徒步旅行以寻找其他涂有花粉的入口时，李将孢粉素与木质素进行了比较，木质素是一种增强木材和树皮的植物聚合物。在大约 3.6 亿年前木本植物首次进化后，地质记录显示，地层中存在数千万年的大量木质素化石。然后在大约 3 亿年前突然间，木质素消失了。它的消失标志着一种叫做白腐病的真菌进化出能够降解木质素的酶，并在它变成化石之前吃掉了大部分。
李推断，孢粉素还必须有一种真菌或其他能够分解它的微生物。否则我们会被淹没在这些东西中。李的粗略计算是每年在森林中产生1亿吨孢粉素。这甚至没有考虑到草产生的孢粉素。如果没有东西在吃它，它会去哪里？
这就是为什么，作为他最新花粉样本的来源，李选择放弃亚马逊 Prime，转而在瓦尔登湖度过一天。他的团队的观察表明，一些在培养皿中生长的微生物可以在只喂食孢粉和氮的情况下存活。来自自然充满湖泊微生物群落的瓦尔登湖的样本应该有助于李确定野生真菌和其他微生物的种群是否可以释放孢粉素看似牢不可破的分子中的营养物质。
当我们在池塘边吃海藻和格兰诺拉麦片时，很容易从真菌的角度看到整个情况。大自然讨厌浪费一顿饭——即使是一顿难以咀嚼的食物。