Science破解植物世界复杂的生化通讯网络

　　

普渡大学领导的一个研究小组已经开始翻译牵牛花复杂的分子语言。然而，它们的语法和词汇很好地隐藏在充满花细胞的无数蛋白质和其他化合物中。

植物扎根于地面，无法逃避昆虫、病原体或其他对其生存的威胁。但植物科学家早就知道，它们确实通过一种叫做挥发性有机化合物的气味化学物质向彼此发出警告。

“它们使用挥发物是因为它们不能说话，植物向邻近植物通报病原体的袭击。它看起来几乎像免疫。在正常情况下，你不会看到接收装置有任何变化。但是一旦接收植物被感染，它的反应要快得多。它已经准备好应对。”普渡大学生物化学、园艺和景观建筑学杰出教授纳Natalia Dudareva说。

植物科学家早就知道这种类似免疫的启动，但直到几年前，他们还没有办法研究这个过程。他们需要一个标记，表明植物已经检测到挥发性化合物。

Dudareva和13位合著者在《科学》杂志上描述了探测过程的新细节。该团队包括来自普渡大学、法国圣埃蒂安大学和加州大学戴维斯分校的研究人员。

科学家对植物的挥发物受体知之甚少。哺乳动物和昆虫也有，但它们感知挥发物的方式太不同了，无法帮助研究人员研究植物的过程，Dudareva说。

普渡大学科学家领导的一个研究小组记录了矮牵牛花如何利用挥发性有机化合物进行交流的新细节。

2019年在《自然化学生物学》杂志上，Dudareva和她的同事发表了他们发现的一种新的生理过程，该研究描述了植物的花管如何产生挥发性化合物，以使柱头(雌蕊收集花粉的部分)消毒，以防止病原体的攻击。

“柱头上有很多糖，尤其是牵牛花。这意味着细菌在没有这些挥发物存在的情况下可以很好地生长。”“但如果柱头没有接受管中产生的挥发物，它也会更小。这是器官间的交流。现在我们有了一个很好的标记——柱头大小——来研究这种交流过程。”

新研究一作Shannon Stirling说，通过照片进行的测量显示，接触挥发物后柱头大小的统计差异。“你可以看到这是一个持续的趋势，一旦你观察了足够多的柱头，你就可以通过眼睛看到大小上的细微差异。”

结合对潜在蛋白质的基因操作，这项工作令人惊讶地揭示了一种类似karrikin的信号通路在矮牵牛细胞信号传导中起着关键作用。

“karrikin不是由植物产生的，它们是植物燃烧时产生的，我们的植物从未暴露在烟雾或火灾中。”

该团队还记录了karrikin样途径在检测挥发性倍半萜中的重要性。许多植物利用倍半萜烯与其他植物进行交流，并发挥其他功能。

令人惊讶的是，鉴定出的karrikin受体显示出选择性地感知来自一种倍半萜化合物的信号的能力，而不是它的镜像，这种特征被称为“立体特异性”。这种受体似乎对这种化合物具有高度选择性。

“这种植物产生许多不同的挥发性化合物，并暴露在大量其他化合物中。非常值得注意的是，这种受体对从试管发出的信号有多么选择性和特异性。这种特异性确保了没有其他易失性信号通过。没有错误的信号。”

这项研究需要掌握一种艰苦的方法，暂时改变矮牵牛雌蕊的蛋白质水平，以识别信号受体蛋白质的相互作用。雌蕊和柱头小。由于它们的尺寸，它们有点难以合作，即使是你需要获得足够样本的柱头数量也相当大，因为它们并不重。”

这种方法包括将某种细菌注入柱头以引入目标基因，然后分离得到的蛋白质。

“操纵这么小的器官并不容易，但Shannon能够用注射器轻轻刺破柱头，让这种细菌如此微妙地渗透进去。她是这方面的专家。”

矮牵牛花通常颜色鲜艳，气味很好，但普渡大学的科学家们也很重视它们，因为它们可以作为他们研究的肥沃模型系统。

“到目前为止，他们已经证明了相当富有成效”。

这项工作由美国国家科学基金会、美国农业部国家食品和农业研究所以及美国国家卫生研究院资助。