在《科學進展》（Science Advances）雜誌最近發表的一項新研究中，密歇根州立大學的研究人員揭示了"番茄焦油"中發現的糖的一個意想不到的遺傳學啟示，闡明了植物防禦機制及其在害蟲控制中的潛在應用。
番茄焦油是熱心園藝家們最熟悉的一種麻煩，它是一種金黑色的粘性物質，在接觸植物後會附着在手上。原來，這種物質特有的粘性有一個重要的作用。它是由一種叫做酰基糖的糖組成的，對害蟲來說是一種天然的"蒼蠅紙"。
這項研究的負責人、密歇根州立大學研究員羅伯特-拉斯特（Robert Last）說："植物在進化過程中製造了許多神奇的毒藥和其他生物活性化合物。Last 實驗室專門研究酰基糖以及產生和儲存酰基糖的微小毛髮狀結構，即毛狀體。"
一項驚人的發現是，研究人員在番茄根部也發現了曾被認為只存在於毛狀體中的酰基糖。這一發現是一個遺傳學之謎，它提出了許多問題，也帶來了許多啟示。
MSU 研究的目的是了解這些根部酰基糖的來源和功能。他們發現，番茄植物不僅在根部和毛狀體中合成化學性質獨特的酰基糖，而且這些酰基糖是通過兩條平行的代謝途徑產生的。這就相當於汽車廠的流水線在生產同一款汽車的兩種不同型號，但卻從不相互影響。
在密歇根州立大學生物化學和分子生物學系，番茄幼苗是 Last 實驗室為研究茄科植物而培育的。研究人員分析了根和芽之間獨特的化學差異，兩者都含有酰基糖。圖片來源：Connor Yeck/麻省理工大學
這些發現有助於科學家們更好地了解茄科植物的恢復能力和進化過程，茄科是一個龐大的植物家族，包括西紅柿、茄子、馬鈴薯、辣椒、煙草和牽牛花。
它們還能為研究人員提供有價值的信息，幫助他們將植物製造的分子開發成化合物，以幫助人類。"從藥品、殺蟲劑到防晒霜，人類為不同用途改造的許多小分子都來自植物、微生物和昆蟲之間的軍備競賽，"Last 說。
除了生長所必需的關鍵化學物質外，植物還能產生在環境互動中發揮關鍵作用的化合物寶庫。這些化合物可以吸引有用的授粉者，也是抵禦有害生物的第一道防線。
密歇根州立大學博士後研究員、最新論文的第一作者雷切爾-柯文（Rachel Kerwin）說："這些特殊代謝物的非凡之處在於，它們通常是在高度精確的細胞和組織中合成的。"
"以酰基糖為例，我們不會在番茄植株的葉片或莖中發現它們。這些具有物理粘性的防禦代謝物就產生於毛狀體的頂端。"
當有報道稱在番茄根部也能發現酰基糖時，Kerwin 認為這是對老式基因偵查工作的一種呼喚。
從左到右：Jaynee Hart、Rachel Kerwin 和 Robert Last 在密歇根州立大學質譜和代謝組學核心的分析設備前合影。研究小組揭開了番茄植物的進化和遺傳之謎。圖片來源：Connor Yeck/密歇根州立大學
這些酰基糖在根部的出現令人着迷，並引發了許多問題。這是如何發生的，它們是如何被製造出來的，它們與我們一直在研究的毛狀體酰基糖是否不同？為了着手解決這個進化之謎，實驗室成員與 MSU 質譜分析和代謝組學核心的專家以及 Max T. Rogers 核磁共振設施的工作人員進行了合作。在比較番茄幼苗根部和芽部的代謝物時，發現了多種差異。地上部分和地下部分酰基糖的基本化學組成明顯不同，以至於可以將它們完全定義為不同類別的酰基糖。
最後，密蘇里大學自然科學學院生物化學與分子生物學系和植物生物學系的大學特聘教授用一個有用的比喻來解釋遺傳學家是如何研究生物學的。"他說："試想一下，如果要弄清一輛汽車是如何工作的，就必須一個一個部件地拆出來，把汽車輪胎弄平後發現發動機還能運轉，那麼即使你不知道輪胎的具體作用，也算髮現了一個關鍵事實。"
把上面舉例中的汽車零件換成基因，就能更清楚地了解最後實驗室為進一步破解根部酰基糖密碼所做的工作。
通過查看公開的基因序列數據，Kerwin 注意到在番茄毛狀體酰基糖生產過程中表達的許多基因在根部都有近親。在確定了一種被認為是根部酰基糖生物合成第一步的酶後，研究人員開始"拆車"。
當他們敲除根部酰基糖候選基因時，根部酰基糖的生產消失了，而毛狀體酰基糖的生產沒有受到影響。
與此同時，當研究充分的毛狀體酰基糖基因被敲除時，根部酰基糖的生產照常進行。這些發現有力地證明了疑似代謝鏡像的存在。
Last說："除了我們研究多年的地面酰基糖途徑外，我們在這裡發現了存在於地下的第二個平行宇宙。"Kerwin補充說："這證實了我們在同一種植物中同時存在兩種途徑。"
為了實現這一突破，最新論文的第二作者、博士後研究員傑尼-哈特（Jaynee Hart）仔細研究了毛狀體和根酶的功能。
正如毛狀體酶和它們產生的酰基糖是一種經過充分研究的化學匹配，她發現根部酶和根部酰基糖之間也有很好的聯繫。
哈特解釋說："研究分離出來的酶是一種強大的工具，可以確定它們的活性，並就它們在植物細胞內的功能作用得出結論。"這些發現進一步證明了單株番茄植物中存在的平行代謝途徑。
"植物和汽車是如此不同，但又如此相似，當你打開眾所周知的引擎蓋時，你就會意識到使它們發揮作用的眾多部件和連接。這項工作讓我們對番茄植物的其中一個部件有了新的認識，並促使我們進一步研究它的進化和功能，以及我們是否能以其他方式利用它，"資助這項工作的美國國家科學基金會項目主任潘卡傑-賈斯瓦爾（Pankaj Jaiswal）說。"我們對生物--從西紅柿和其他作物到動物和微生物--了解得越多，利用所學知識造福社會的機會就越廣泛。"
該論文還報告了與生物合成基因簇（BGCs）有關的一個令人着迷和意想不到的轉折。
BGC是染色體上物理分組的基因集合，有助於特定的代謝途徑。此前，Last 實驗室發現了一個 BGC，其中含有與番茄植株毛狀體酰基糖有關的基因。現在，Kerwin、Hart 和他們的合作者發現，根部表達的酰基糖酶也在同一個基因簇中。
Kerwin說："通常在BGCs中，基因在相同的組織和相似的條件下共同表達。有些在毛狀體中表達，有些在根中表達。"
這一發現促使Kerwin深入研究茄科植物的進化軌跡，希望找出這兩種獨特的酰基糖途徑是何時以及如何形成的。具體來說，研究人員注意到，大約1900萬年前，負責毛狀體酰基糖的酶發生了複製。這種酶有朝一日將負責新發現的根部表達的酰基糖途徑。
在根部"開啟"這種酶的確切機制仍然未知，這為 Last 實驗室繼續解開茄科植物的進化和代謝秘密鋪平了道路。
與茄科植物的合作提供了如此多的科學資源，以及一個強大的研究人員社區。通過它們作為作物和園藝的重要性，這些植物是人類數千年來一直關心的對象。最後，這些突破也提醒人們天然殺蟲劑的重要性，酰糖類等防禦代謝物最終代表了天然殺蟲劑。
如果我們發現這些根部酰基糖能夠有效地驅除有害生物，是否可以將它們培育到其他茄科植物中，從而幫助植物生長，而無需使用有害的合成殺真菌劑和殺蟲劑？
這些問題是人類追求更純凈的水、更安全的食品和減少對有害合成化學品的依賴的核心所在。
編譯來源：ScitechDaily
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