近日，一项由普渡大学领导的题为《植物中的不稳定通讯依赖于KAI2介导的信号通路》的研究论文发布于《科学》期刊。该研究小组已开始解码矮牵牛花（petunia）复杂的分子“语言”。然而，它们的“语法”和“词汇”被很好地隐藏在充满花细胞的无数蛋白质和其他化合物中。植物对空气中携带的化学信号的反应对于其发育、适应性和适应至关重要。该论文作者Shannon A. Stirling博士等人通过矮牵牛雌蕊中Karrikin受体KAI2的同源物确定了一种感知挥发性化合物的germacrene D机制。遗传和生化实验将这种感知与下游信号蛋白和转录靶标联系起来。扰乱其中一些成分的功能会影响挥发物介导的通讯和植物的适应性。

上图：昙花是一种热带和亚热带地区常见的多肉植物，也称为“昙花一现”、“夜来香”。它们通常在晚间开放，并在凌晨时分凋谢，因此被称为“昙花一现”。在东南亚的一些地方，昙花也被用来制作美味佳肴。摄影：韩建林（绿会专家）©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）工作组

挥发性有机化合物是植物释放的重要信号，在植物间通讯、自我信号传递及与微生物相互作用中发挥着关键作用。因此，了解挥发性有机化合物的感知和下游信号传导对于揭示植物信息交换背后的机制至关重要，而植物信息交换背后的机制在很大程度上尚未被探索。

植物扎根于地面，无法逃避昆虫、病原体或其他对其生存的威胁。但植物科学家早就知道，它们确实通过称为挥发性有机化合物的气味化学物质向彼此发出警告。

普渡大学生物化学、园艺和景观建筑学杰出教授纳塔莉亚·杜达雷娃 (Natalia Dudareva) 说：“植物使用挥发物是因为不会说话。植物通过挥发物向邻近植物通报病原体的攻击。这看起来几乎就像免疫。在正常情况下，你看不到接收植物有任何变化。但一旦接收植物被感染，它的反应就会快得多。因为它早就被通报，已经做好了应对准备 ”。

植物科学家很早就知道这种类似免疫的启动作用，但直到几年前，他们还没有办法研究这个过程。他们需要一个标记来表明植物已检测到挥发性化合物。

该研究的作者之一Dudareva和13位合著者在论文中描述了检测过程的新细节。该团队包括来自普渡大学、法国圣艾蒂安大学和加州大学戴维斯分校的研究人员。科学家对挥发物的植物受体知之甚少。Dudareva说，哺乳动物和昆虫也有挥发物，但它们感知挥发物的方式差异太大，无法帮助研究人员研究植物中的这一过程。

该研究小组记录了有关矮牵牛如何利用挥发性有机化合物进行交流的新细节。

2019年，Dudareva和她的同事在《自然化学生物学》期刊上发表了一篇题为“自然熏蒸作为花器官之间挥发性物质运输机制”的报告，表述他们发现了一种新的生理过程，描述了植物的花管如何产生挥发性化合物来消毒其柱头（雌蕊中收集花粉的部分），以防止病原体的攻击。

近日这项科学研究的主要作者Shannon Stirling博士说，根据照片进行的测量显示，接触挥发物后柱头大小存在统计差异。你可以看到这是一个一致的趋势。一旦你观察了足够多的柱头，你就可以通过肉眼看到尺寸上的细微差别。”

结合对相关潜在蛋白质的基因操作，这项工作令人惊讶地揭示了类似karrikin的信号通路在矮牵牛细胞信号传导中发挥着关键作用。

该团队还记录了karrikin样途径在检测挥发性倍半萜中的重要性。许多植物使用倍半萜烯来与其他植物进行交流以及其他功能。

令人惊讶的是，所鉴定的karrikin受体表现出选择性感知来自一种倍半萜化合物而不是其镜像的信号的能力，这称为“立体特异性”。研究合著者、普渡大学生物化学博士后研究员Matthew Bergman表示，该受体似乎对该化合物具有高度选择性。“该植物产生许多不同的挥发性化合物，并暴露于许多其他化合物中。值得注意的是，这种受体对从管子发送的信号具有专门的选择性和特异性。这种特异性确保没有其他不稳定的信号通过。不存在错误信号。”

对于Stirling来说，这项研究需要掌握一种费力的方法，暂时改变矮牵牛雌蕊的蛋白质水平，以便识别信号受体蛋白质的相互作用。她说：“雌蕊和柱头很小。由于它们的大小，处理它们有点困难。即使是为了获得足够的样本而需要的柱头数量也相当大，因为它们的重量并不重。”这种方法包括将某种细菌注射到柱头中以引入目标基因，然后分离所得蛋白质。矮牵牛通常颜色鲜艳、气味芬芳，但普渡大学的科学家也很重视它们，因为它们是他们研究的丰富模型系统。

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编译 | Daisy
审核 | LYJ
排版 | 绿叶

参考资料略

来源: 海洋与湿地