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谷物以多功能的方式对不同的食草动物使用化学防御

发布时间:2018-12-06 06:44:01

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来自伯尔尼大学(瑞士)和马克斯普朗克化学生态研究所及其合作伙伴的科学家小组描述了小麦中苯并恶嗪类的多种功能:这种物质的毒性使植物直接抵抗鳞翅目幼虫,而较少毒性形式调节间接防御蚜虫的机制。科学家已经确定了这些不同功能之间的“转换”作为甲基转移酶,其被毛虫喂养激活。这种转换使小麦植物能够适应不同食草动物的防御反应。与玉米的比较表明,甲基转移酶还调节玉米对抗不同害虫的防御过程。然而,小麦和玉米中的两种酶彼此独立地进化。

在自然界中,植物暴露于以其叶子,茎和根为食的众多敌人,或在其树液上盛宴。为了应对这些威胁,植物已经进化出产生次级代谢产物的能力,其功能包括防止食草动物摄食。植物可以以多功能方式使用这种防御物质。由马克斯普朗克化学生态研究所的TobiasKöllner和伯尔尼大学的Matthias Erb领导的一个研究小组现在已经描述了苯并恶嗪类在小麦中的功能。研究人员使用以前获得的关于苯并恶嗪类在玉米中的防御功能的详细知识。在玉米植物中,酶甲基转移酶起到功能转换的作用:它决定苯并恶嗪类是否作为有效毒素来保护植物免受毛虫食草,或苯并恶嗪类是否毒性较小,但诱导产生胼。质。 Callose被用作细胞密封剂,可以阻止筛子元素,使蚜虫难以吸收韧皮部汁液。 “我们的方法是将玉米开关引入小麦并永久激活它。我们与来自莱布尼茨植物遗传和作物植物研究所的同事一起制作了转基因小麦植物,这些植物不再能够在毒素生产和防御之间做出选择。调节,但不断产生苯并恶嗪类的毒性形式。这使我们能够详细阐明苯并恶嗪类在小麦中的功能,“TobiasKöllner解释道。

该方法允许彻底分析毒素生产和防御调节之间的转换如何影响小麦对鳞翅目幼虫和蚜虫的抗性。此外,科学家们能够识别小麦中的相应开关并从生物化学和系统发育的角度进行分析。虽然玉米和小麦都产生苯并恶嗪类 - 它们最重要的防御,通过相同的,保守的核心生物合成途径 - 在两个物种中,负责在它们的毒性和调节形式之间转换的基因只是远距离相关。因此,两种谷物物种可能在进化过程中独立地进化。科学家将这种现象称为“趋同进化”。

 谷物以多功能的方式对不同的食草动物使用化学防御

过量表达玉米甲基转移酶基因的小麦植物不能充分调节其防御并且易受蚜虫攻击。开关,要么将苯并恶嗪类药物转化为对毛虫的高效毒素......更多

“收敛性进化在自然界中是普遍存在的,并且是由于不同物种相互独立地为相同问题提出解决方案的事实。值得注意的是,产生相同专用防御物质的两种草进化出相应的开关供它们独立使用。另一方面,这可能证明苯并恶嗪类化合物用于不同功能的能力最近已经发生了变化。另一方面,它强调了特异性适应不同食草动物的防御反应能力的重要性。我们认为,我们在这里观察的是新的调节机制的出现,从植物激素的保守经典走向更专业的系统,“Matthias Erb说。 “有趣的是,卷心菜家族的植物也使用防御性物质进行胼ose体调节,这表明这种多功能性在植物界普遍存在。”

作为下一步,研究人员希望了解苯并恶嗪类如何控制其他防御过程。他们特别感兴趣的是找到是否存在苯并恶嗪类受体的答案。如果是这样,这些可能被归类为专门的激素,从而进一步模糊植物毒素和国防监管机构之间的界限。最终,这项研究有助于回答植物除了经典植物激素之外还使用毒素调节防御的原因。

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