谷物以多功能的方式利用化學防御不同的食草動物

來自伯爾尼大學(瑞士)、馬克斯普朗克化學生態(tài)研究所及其合作伙伴的科學家描述了苯并噁嗪在小麥中的多重功能：這種物質(zhì)的毒性使植物直接抵抗鱗翅目幼蟲，而毒性較低的形式調(diào)節(jié)了間接防御蚜蟲的機制?？茖W家們已經(jīng)將這些不同功能之間的“轉(zhuǎn)換”確定為甲基轉(zhuǎn)移酶，這種酶被毛毛蟲取食激活。這種轉(zhuǎn)化使小麥植株能夠適應不同食草動物的防御反應。與玉米相比，甲基轉(zhuǎn)移酶還調(diào)節(jié)玉米對不同害蟲的防御過程。然而，小麥和玉米中的兩種酶是相互獨立進化的(《科學進展》，2018年12月5日)。

在自然界中，植物暴露在許多敵人面前，這些敵人以它們的葉子、莖和根為食，或者以它們的汁液為食。為了應對這些威脅，植物進化出了產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物的能力，其功能包括防止食草動物進食。植物可以以多功能的方式使用這種防御物質(zhì)。由馬克斯普朗克化學生態(tài)研究所的托比亞斯勒納和伯爾尼大學的馬提亞斯埃爾博領導的研究小組現(xiàn)在已經(jīng)描述了苯并噁嗪在小麥中的功能。研究人員利用了關于苯并噁嗪在玉米中防御功能的詳細知識。在玉米植物中，甲基轉(zhuǎn)移酶起著功能轉(zhuǎn)化的作用：它決定了苯并噁嗪是否是保護植物免受毛蟲吃草的有效毒素，或者苯并噁嗪的毒性是否較小，但會誘發(fā)癭的產(chǎn)生。質(zhì)量。胼胝質(zhì)作為細胞封閉劑，可以防止篩選元素，使蚜蟲難以吸收韌皮部汁液?！拔覀兊姆椒ㄊ菍⒂衩组_關引入小麥，并永久激活它。我們與萊布尼茨植物遺傳與作物研究所的同事合作，生產(chǎn)出轉(zhuǎn)基因小麥植物，這種植物不再能在毒素產(chǎn)生和防御之間做出選擇。規(guī)定，但不斷產(chǎn)生有毒形式的苯并噁嗪。這使我們能夠詳細闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。胼胝質(zhì)作為細胞封閉劑，可以防止篩選元素，使蚜蟲難以吸收韌皮部汁液?！拔覀兊姆椒ㄊ菍⒂衩组_關引入小麥，并永久激活它。我們與萊布尼茨植物遺傳與作物研究所的同事合作，生產(chǎn)出轉(zhuǎn)基因小麥植物，這種植物不再能在毒素產(chǎn)生和防御之間做出選擇。規(guī)定，但不斷產(chǎn)生有毒形式的苯并噁嗪。這使我們能夠詳細闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。胼胝質(zhì)作為細胞封閉劑，可以防止篩選元素，使蚜蟲難以吸收韌皮部汁液?！拔覀兊姆椒ㄊ菍⒂衩组_關引入小麥，并永久激活它。我們與萊布尼茨植物遺傳與作物研究所的同事合作，生產(chǎn)出轉(zhuǎn)基因小麥植物，這種植物不再能在毒素產(chǎn)生和防御之間做出選擇。規(guī)定，但不斷產(chǎn)生有毒形式的苯并噁嗪。這使我們能夠詳細闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。我們的轉(zhuǎn)基因小麥植物不再能在毒素產(chǎn)生和防御調(diào)節(jié)之間做出選擇，而是不斷產(chǎn)生有毒形式的苯并噁嗪。這使我們能夠詳細闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。我們的轉(zhuǎn)基因小麥植物不再能在毒素產(chǎn)生和防御調(diào)節(jié)之間做出選擇，而是不斷產(chǎn)生有毒形式的苯并噁嗪。這使我們能夠詳細闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。

這種方法可以徹底分析毒素產(chǎn)生和防御調(diào)節(jié)之間的轉(zhuǎn)變?nèi)绾斡绊懶←湆[翅目幼蟲和蚜蟲的抗性。此外，科學家可以識別小麥中相應的開關，并從生物化學和系統(tǒng)發(fā)育的角度進行分析。盡管玉米和小麥都產(chǎn)生苯并噁嗪——它們最重要的防御是通過相同的、保守的核心生物合成途徑——但在這兩個物種中，負責在毒性和調(diào)節(jié)形式之間切換的基因只有很小的關系。因此，這兩個谷類物種可能在進化過程中獨立進化?？茖W家稱這種現(xiàn)象為“收斂進化”。

“收斂進化在自然界中無處不在，這是由于不同物種獨立提出解決同一問題的方案。值得注意的是，兩種產(chǎn)生相同特殊防御物質(zhì)的草，都進化出了相應的開關，供各自獨立使用。另一方面，它可能證明苯并噁嗪對不同功能的能力最近發(fā)生了變化。另一方面強調(diào)了特異性適應不同食草動物防御反應能力的重要性。我們認為，我們在這里觀察到的是一種新的調(diào)節(jié)機制的出現(xiàn)，從保守的經(jīng)典植物激素到更專業(yè)的系統(tǒng)，”Matthias Erb說?！坝腥さ氖?，

下一步，研究人員想知道苯并噁嗪是如何控制其他防御過程的。他們對發(fā)現(xiàn)是否有苯并噁嗪受體特別感興趣。如果是這樣，這些可能被歸類為專門的激素，進一步模糊了植物毒素和國防監(jiān)管機構(gòu)之間的界限。最后，這項研究有助于回答為什么植物除了使用傳統(tǒng)的植物激素外，還使用毒素來調(diào)節(jié)防御。

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