來自伯爾尼大學(xué)(瑞士)、馬克斯普朗克化學(xué)生態(tài)研究所及其合作伙伴的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)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(jī)制?？茖W(xué)家們已經(jīng)將這些不同功能之間的“過渡”確定為甲基轉(zhuǎn)移酶，這種酶是由毛蟲喂養(yǎng)激活的。這種轉(zhuǎn)化使小麥植株能夠適應(yīng)不同食草動(dòng)物的防御反應(yīng)。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(dú)立進(jìn)化的(《科學(xué)進(jìn)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(yīng)對這些威脅，植物進(jìn)化出了產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物的能力，其功能包括阻止食草動(dòng)物進(jìn)食。植物可以以多功能的方式使用這種防御物質(zhì)。馬克斯普朗克化學(xué)生態(tài)研究所的托比亞斯勒納和伯爾尼大學(xué)的馬提亞斯埃爾博領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在已經(jīng)描述了苯并噁嗪在小麥中的作用。研究人員利用先前獲得的關(guān)于苯并噁嗪在玉米中防御功能的詳細(xì)知識。在玉米植物中，甲基轉(zhuǎn)移酶在功能轉(zhuǎn)化中起作用：它決定了苯并噁嗪是否是保護(hù)植物免受毛蟲食草動(dòng)物侵害的有效毒素，或者苯并噁嗪是否毒性較小，但會(huì)誘導(dǎo)癭的產(chǎn)生。質(zhì)量。胼胝質(zhì)被用作細(xì)胞封閉劑，可以阻止篩分子，使蚜蟲難以吸收韌皮部汁液?！拔覀兊姆椒ㄊ菍⒂衩组_關(guān)引入小麥，并永久激活它。我們與萊布尼茨植物遺傳與作物植物研究所的同事一起，制造出了轉(zhuǎn)基因小麥植物，它不再能在毒素產(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(xì)闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。胼胝質(zhì)被用作細(xì)胞封閉劑，可以阻止篩分子，使蚜蟲難以吸收韌皮部汁液?！拔覀兊姆椒ㄊ菍⒂衩组_關(guān)引入小麥，并永久激活它。我們與萊布尼茨植物遺傳與作物植物研究所的同事一起，制造出了轉(zhuǎn)基因小麥植物，它不再能在毒素產(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(xì)闡明小麥中苯并噁嗪的功能，”tobiaskllner解釋道。胼胝質(zhì)被用作細(xì)胞封閉劑，可以阻止篩分子，使蚜蟲難以吸收韌皮部汁液?！拔覀兊姆椒ㄊ菍⒂衩组_關(guān)引入小麥，并永久激活它。我們與萊布尼茨植物遺傳與作物植物研究所的同事一起，制造出了轉(zhuǎn)基因小麥植物，它不再能在毒素產(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(xì)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(xì)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(xì)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)化如何影響小麥對鱗翅目幼蟲和蚜蟲的抗性。此外，科學(xué)家可以識別小麥中相應(yīng)的開關(guān)，并從生物化學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育的角度進(jìn)行分析。盡管玉米和小麥都通過相同的保守核心生物合成途徑產(chǎn)生苯并噁嗪——它們最重要的防御機(jī)制——但在這兩個(gè)物種中，負(fù)責(zé)在毒性和調(diào)節(jié)形式之間切換的基因只是遠(yuǎn)程相關(guān)的。因此，兩個(gè)谷類物種可能在進(jìn)化過程中獨(dú)立進(jìn)化?？茖W(xué)家稱這種現(xiàn)象為“收斂進(jìn)化”。
“收斂進(jìn)化在自然界中無處不在，這是由于不同的物種獨(dú)立地為同一個(gè)問題提出解決方案。值得注意的是，兩種產(chǎn)生相同特殊防御物質(zhì)的草，都進(jìn)化出了相應(yīng)的開關(guān)，供各自獨(dú)立使用。另一方面，這可能證明苯并噁嗪化合物對不同功能的能力最近發(fā)生了變化。另一方面強(qiáng)調(diào)了特異性適應(yīng)不同食草動(dòng)物防御反應(yīng)能力的重要性。我們認(rèn)為，我們在這里觀察到的是一種新的調(diào)節(jié)機(jī)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?！坝腥さ氖牵?
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(jìn)一步模糊了植物毒素和國防監(jiān)管機(jī)構(gòu)之間的界限。最后，這項(xiàng)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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