天然植物防御基因为谷物高粱的安全保护提供线索

杂草经常在脆弱的作物幼苗的同时出现，并随着作物的生长而在植物之间潜行。农民如何在不伤害农作物的情况下杀死他们?

种子和化学公司开发了两种主要技术，以避免土壤和叶面施用除草剂对作物造成伤害：转基因抗除草剂作物;和安全剂，选择性地 - 和神秘地 - 保护某些作物免受损害的化学品。在伊利诺伊大学的一项新研究中，研究人员确定了导致谷物高粱安全功效的基因和代谢途径。

这一发现在解释安全人员如何运作方面发挥了很大作用。根据我在U of I作物科学系的杂草科学家Dean Riechers和植物科学前沿研究的合着者，科学家偶然发现了20世纪40年代后期的安全剂。在实验期间，温室生长的番茄植物无意中暴露于合成植物激素。西红柿没有暴露于激素本身的症状，但是当一种除草剂被喷洒后，它们没有受到伤害。在没有完全理解它们是如何起作用的情况下，研究人员在1971年将第一种玉米安全剂(二氯甲烷)商业化之前就开始尝试寻找更多的“除草剂解毒剂”。

今天，经过近50年的玉米，大米，小麦和谷物高粱的商业化使用，安全剂仍然是一个谜。Riechers表示，选择性保护高价值谷物作物而非阔叶作物或杂草的合成化学品的存在令人着迷，但并不具有直观意义。弄清楚谷物作物中保护机制如何开启，有朝一日可以帮助科学家在大豆和棉花等阔叶作物中发挥保护作用。

Riechers说：“找到一种适合双子叶作物的安全剂将是圣杯。”

然而，第一步是了解谷物作物接触安全剂时细胞内部会发生什么。在以前的谷物高粱试验中，研究小组发现谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)的产量大幅增加。存在于所有生物体内的这些重要的酶在除草剂和其他外来化学物质可能造成损害之前迅速解毒。但这并没有大大缩小干草堆的范围。

“这些谷类作物有多达100个GST，我们不知道是否有一个或多个提供保护作用，”Riechers说。“我们也无法分辨为什么GST会增加。”

该团队使用了一种称为全基因组关联研究的方法。他们在温室中种植了761粒高粱近交系，比较了仅用安全剂，仅用除草剂或安全剂和除草剂处理的植物。通过搜索基因组的差异，他们发现了在安全剂处理的植物中开启的特定基因和基因区域。毫不奇怪，它们是编码两个GST的基因。

“尽管我们怀疑GST参与其中，但这种技术似乎确定了负责安全高粱，SbGSTF1和第二个串联GST基因的基因，”Riechers说。

除了找到解毒的关键基因外，研究人员还分析了安全剂处理过的植物中表达的RNA分子，并揭示了植物防御途径的双重作用。

根据Riechers和合着者帕特里克·布朗的说法，高粱因产生针对昆虫和病原体的化感物质或化学防御而闻名。其中之一，dhurrin，是一种具有氰化物基团的化学物质。当它受到攻击时，高粱释放出“氰化物炸弹”，杀死昆虫或病原体。事实证明，涉及dhurrin合成和代谢的一些基因也是响应安全剂而触发的。

“与dhurrin的这种联系是一种线索 - 也许安全者正在利用植物已经用来保护自身的化学防御途径，”Riechers说。“这是一个以前从未在高粱中提出过的新概念。它让我们了解为什么安全剂可能会在植物中引发这种反应。”

根据Riechers的说法，使用安全剂打开防御和保护通道的能力可以有各种各样的应用。他说：“似乎没有合理的除草剂专用途径。”“也许安全人员可以用来保护作物免受昆虫食草动物，化学污染物或环境压力的影响。这种可能性和应用非常有希望。”

研究人员有计划和资金将实验扩展到小麦，并最终希望找到更精确的安全剂 - 除草剂 - 作物组合，最终可转化为阔叶作物。

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