Science突破：种子植物间独脚金内酯生物合成的进化

Science：Evolution of interorganismal strigolactone biosynthesis in seed plants

　　

寄生杂草是无情的白吃白喝者，从作物中窃取养分，破坏收成。但是，如果农民可以诱骗这些入侵者自我毁灭呢？加州大学河滨分校的科学家们认为他们已经找到了一种方法。

在撒哈拉以南非洲和亚洲部分地区，这些地区已经在与粮食不安全作斗争，像水稻和高粱这样的主要作物可能会被一群阴险的杂草所吞噬，这些杂草在作物生长之前就把它们的营养物质吸走了。农民们用很少有效的工具来对抗这些寄生虫，但UCR的研究人员可能能够利用杂草自身的生物学来对抗它们。

《科学》杂志详细介绍了这一技巧，其核心是一类名为独脚金内酯strigolactones的激素——一种具有双重作用的不引人注目的化学物质。在内部，它们帮助控制生长和植物对缺水等压力的反应。在外部，它们做一些植物激素不寻常的事情。

“大多数时候，植物激素不会向外辐射——它们不会分泌出来。但这些确实如此，”UCR植物生物学家和论文合著者David Nelson说。

“植物利用独脚金内酯吸引土壤中的真菌，这些真菌与植物的根有有益的关系。”

不幸的是，对农民来说，寄生杂草已经学会了劫持独脚金内酯的信号，把它们当作入侵的邀请。

一旦杂草察觉到独脚金内酯的存在，它们就会发芽并附着在作物的根部，吸干它们必需的营养物质。

“这些杂草正在等待唤醒的信号。我们可以在错误的时间——当它们没有食物的时候——给它们发出信号，这样它们就会发芽并死亡。”“这就像打开了它们自己的开关，从本质上鼓励它们自杀。”

为了了解独脚金内酯的生产，由Yanran Li（前加州大学洛杉矶分校，现加州大学圣地亚哥分校）领导的研究小组开发了一种利用细菌和酵母的创新系统。通过改造大肠杆菌和酵母细胞，使其像微型化工厂一样发挥作用，他们重现了产生这些激素所需的生物步骤。这一突破使研究人员能够在受控环境下研究独脚金内酯的合成，并有可能产生大量这些有价值的化学物质。

研究人员还研究了负责产生独脚金内酯的酶，确定了一个代谢分支点，该分支点可能在这些激素从内部调节因子进化为外部信号的过程中起着至关重要的作用。

“这是一个研究植物酶的强大系统，它使我们能够表征以前从未研究过的基因，并对它们进行操作，以了解它们如何影响所制造的独角甾内酯的类型。”

除了农业，独脚金内酯在医疗和环境方面也有应用前景。一些研究表明，它们可以用作抗癌或抗病毒药物，人们对它们在对抗柑橘绿化病方面的潜在作用很感兴趣，柑橘绿化病正在对佛罗里达州的柑橘作物造成大规模损害。

科学家们仍然对大麻自杀策略在现实世界中是否有效心存疑问。“我们正在测试是否可以微调化学信号，使其更有效。如果我们能做到，这可能会改变农民与这些杂草作斗争的游戏规则。”

这项研究得到了美国国家科学基金会资助的Plants3D实习计划的支持，该计划由著名的UCR教授和遗传学家Julia Bailey-Serres领导。该计划训练学生设计原始的生物和工程解决方案，以预测大规模的全球粮食不安全问题。

“这个项目非常令人兴奋，因为它帮助学生学习使用最先进的技术来提高作物产量和营养价值，同时也在专业上帮助他们自己。”