研究发现番茄植株会利用两种不同的代谢途径产生自我防御机制

番茄焦油是热心园艺家们最熟悉的一种麻烦，它是一种金黑色的粘性物质，在接触植物后会附着在手上。原来，这种物质特有的粘性有一个重要的作用。它是由一种叫做酰基糖的糖组成的，对害虫来说是一种天然的"苍蝇纸"。

这项研究的负责人、密歇根州立大学研究员罗伯特-拉斯特（Robert Last）说："植物在进化过程中制造了许多神奇的毒药和其他生物活性化合物。Last 实验室专门研究酰基糖以及产生和储存酰基糖的微小毛发状结构，即毛状体。"

一项惊人的发现是，研究人员在番茄根部也发现了曾被认为只存在于毛状体中的酰基糖。这一发现是一个遗传学之谜，它提出了许多问题，也带来了许多启示。

MSU 研究的目的是了解这些根部酰基糖的来源和功能。他们发现，番茄植物不仅在根部和毛状体中合成化学性质独特的酰基糖，而且这些酰基糖是通过两条平行的代谢途径产生的。这就相当于汽车厂的流水线在生产同一款汽车的两种不同型号，但却从不相互影响。

在密歇根州立大学生物化学和分子生物学系，番茄幼苗是 Last 实验室为研究茄科植物而培育的。研究人员分析了根和芽之间独特的化学差异，两者都含有酰基糖。图片来源：Connor Yeck/麻省理工大学

这些发现有助于科学家们更好地了解茄科植物的恢复能力和进化过程，茄科是一个庞大的植物家族，包括西红柿、茄子、马铃薯、辣椒、烟草和牵牛花。

它们还能为研究人员提供有价值的信息，帮助他们将植物制造的分子开发成化合物，以帮助人类。"从药品、杀虫剂到防晒霜，人类为不同用途改造的许多小分子都来自植物、微生物和昆虫之间的军备竞赛，"Last 说。

除了生长所必需的关键化学物质外，植物还能产生在环境互动中发挥关键作用的化合物宝库。这些化合物可以吸引有用的授粉者，也是抵御有害生物的第一道防线。

密歇根州立大学博士后研究员、最新论文的第一作者雷切尔-柯文（Rachel Kerwin）说："这些特殊代谢物的非凡之处在于，它们通常是在高度精确的细胞和组织中合成的。"

"以酰基糖为例，我们不会在番茄植株的叶片或茎中发现它们。这些具有物理粘性的防御代谢物就产生于毛状体的顶端。"

当有报道称在番茄根部也能发现酰基糖时，Kerwin 认为这是对老式基因侦查工作的一种呼唤。

从左到右：Jaynee Hart、Rachel Kerwin 和 Robert Last 在密歇根州立大学质谱和代谢组学核心的分析设备前合影。研究小组揭开了番茄植物的进化和遗传之谜。图片来源：Connor Yeck/密歇根州立大学

这些酰基糖在根部的出现令人着迷，并引发了许多问题。这是如何发生的，它们是如何被制造出来的，它们与我们一直在研究的毛状体酰基糖是否不同？为了着手解决这个进化之谜，实验室成员与 MSU 质谱分析和代谢组学核心的专家以及 Max T. Rogers 核磁共振设施的工作人员进行了合作。在比较番茄幼苗根部和芽部的代谢物时，发现了多种差异。地上部分和地下部分酰基糖的基本化学组成明显不同，以至于可以将它们完全定义为不同类别的酰基糖。

最后，密苏里大学自然科学学院生物化学与分子生物学系和植物生物学系的大学特聘教授用一个有用的比喻来解释遗传学家是如何研究生物学的。"他说："试想一下，如果要弄清一辆汽车是如何工作的，就必须一个一个部件地拆出来，把汽车轮胎弄平后发现发动机还能运转，那么即使你不知道轮胎的具体作用，也算发现了一个关键事实。"

把上面举例中的汽车零件换成基因，就能更清楚地了解最后实验室为进一步破解根部酰基糖密码所做的工作。

通过查看公开的基因序列数据，Kerwin 注意到在番茄毛状体酰基糖生产过程中表达的许多基因在根部都有近亲。在确定了一种被认为是根部酰基糖生物合成第一步的酶后，研究人员开始"拆车"。

当他们敲除根部酰基糖候选基因时，根部酰基糖的生产消失了，而毛状体酰基糖的生产没有受到影响。

与此同时，当研究充分的毛状体酰基糖基因被敲除时，根部酰基糖的生产照常进行。这些发现有力地证明了疑似代谢镜像的存在。

Last说："除了我们研究多年的地面酰基糖途径外，我们在这里发现了存在于地下的第二个平行宇宙。"Kerwin补充说："这证实了我们在同一种植物中同时存在两种途径。"

为了实现这一突破，最新论文的第二作者、博士后研究员杰尼-哈特（Jaynee Hart）仔细研究了毛状体和根酶的功能。

正如毛状体酶和它们产生的酰基糖是一种经过充分研究的化学匹配，她发现根部酶和根部酰基糖之间也有很好的联系。

哈特解释说："研究分离出来的酶是一种强大的工具，可以确定它们的活性，并就它们在植物细胞内的功能作用得出结论。"这些发现进一步证明了单株番茄植物中存在的平行代谢途径。

"植物和汽车是如此不同，但又如此相似，当你打开众所周知的引擎盖时，你就会意识到使它们发挥作用的众多部件和连接。这项工作让我们对番茄植物的其中一个部件有了新的认识，并促使我们进一步研究它的进化和功能，以及我们是否能以其他方式利用它，"资助这项工作的美国国家科学基金会项目主任潘卡杰-贾斯瓦尔（Pankaj Jaiswal）说。"我们对生物--从西红柿和其他作物到动物和微生物--了解得越多，利用所学知识造福社会的机会就越广泛。"

该论文还报告了与生物合成基因簇（BGCs）有关的一个令人着迷和意想不到的转折。

BGC是染色体上物理分组的基因集合，有助于特定的代谢途径。此前，Last 实验室发现了一个 BGC，其中含有与番茄植株毛状体酰基糖有关的基因。现在，Kerwin、Hart 和他们的合作者发现，根部表达的酰基糖酶也在同一个基因簇中。

Kerwin说："通常在BGCs中，基因在相同的组织和相似的条件下共同表达。有些在毛状体中表达，有些在根中表达。"

这一发现促使Kerwin深入研究茄科植物的进化轨迹，希望找出这两种独特的酰基糖途径是何时以及如何形成的。具体来说，研究人员注意到，大约1900万年前，负责毛状体酰基糖的酶发生了复制。这种酶有朝一日将负责新发现的根部表达的酰基糖途径。

在根部"开启"这种酶的确切机制仍然未知，这为 Last 实验室继续解开茄科植物的进化和代谢秘密铺平了道路。

与茄科植物的合作提供了如此多的科学资源，以及一个强大的研究人员社区。通过它们作为作物和园艺的重要性，这些植物是人类数千年来一直关心的对象。最后，这些突破也提醒人们天然杀虫剂的重要性，酰糖类等防御代谢物最终代表了天然杀虫剂。

如果我们发现这些根部酰基糖能够有效地驱除有害生物，是否可以将它们培育到其他茄科植物中，从而帮助植物生长，而无需使用有害的合成杀真菌剂和杀虫剂？

这些问题是人类追求更纯净的水、更安全的食品和减少对有害合成化学品的依赖的核心所在。

编译来源：ScitechDaily