雜草經(jīng)常在脆弱的作物幼苗的同時(shí)出現(xiàn)，并隨著作物的生長(zhǎng)而在植物之間潛行。農(nóng)民如何在不傷害農(nóng)作物的情況下殺死他們?在一項(xiàng)新研究中，研究人員確定了導(dǎo)致谷物高粱安全功效的基因和代謝途徑。雜草經(jīng)常在脆弱的作物幼苗的同時(shí)出現(xiàn)，并隨著作物的生長(zhǎng)而在植物之間潛行。農(nóng)民如何在不傷害農(nóng)作物的情況下殺死他們?

種子和化學(xué)公司開(kāi)發(fā)了兩種主要技術(shù)，以避免土壤和葉面施用除草劑對(duì)作物造成傷害：轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物;和安全劑，選擇性地 - 和神秘地 - 保護(hù)某些作物免受損害的化學(xué)品。在伊利諾伊大學(xué)的一項(xiàng)新研究中，研究人員確定了導(dǎo)致谷物高粱安全功效的基因和代謝途徑。

這一發(fā)現(xiàn)在解釋安全人員如何運(yùn)作方面發(fā)揮了很大作用。根據(jù)我在U of I作物科學(xué)系的雜草科學(xué)家Dean Riechers和植物科學(xué)前沿研究的合著者，科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)了20世紀(jì)40年代后期的安全劑。在實(shí)驗(yàn)期間，溫室生長(zhǎng)的番茄植物無(wú)意中暴露于合成植物激素。西紅柿沒(méi)有暴露于激素本身的癥狀，但是當(dāng)一種除草劑被噴灑后，它們沒(méi)有受到傷害。在沒(méi)有完全理解它們是如何起作用的情況下，研究人員在1971年將第一種玉米安全劑(二氯甲烷)商業(yè)化之前就開(kāi)始嘗試尋找更多的“除草劑解毒劑”。

今天，經(jīng)過(guò)近50年的玉米，大米，小麥和谷物高粱的商業(yè)化使用，安全劑仍然是一個(gè)謎。Riechers表示，選擇性保護(hù)高價(jià)值谷物作物而非闊葉作物或雜草的合成化學(xué)品的存在令人著迷，但并不具有直觀意義。弄清楚谷物作物中保護(hù)機(jī)制如何開(kāi)啟，有朝一日可以幫助科學(xué)家在大豆和棉花等闊葉作物中發(fā)揮保護(hù)作用。

Riechers說(shuō)：“找到一種適合雙子葉作物的安全劑將是圣杯。”

然而，第一步是了解谷物作物接觸安全劑時(shí)細(xì)胞內(nèi)部會(huì)發(fā)生什么。在以前的谷物高粱試驗(yàn)中，研究小組發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GSTs)的產(chǎn)量大幅增加。存在于所有生物體內(nèi)的這些重要的酶在除草劑和其他外來(lái)化學(xué)物質(zhì)可能造成損害之前迅速解毒。但這并沒(méi)有大大縮小干草堆的范圍。

“這些谷類(lèi)作物有多達(dá)100個(gè)GST，我們不知道是否有一個(gè)或多個(gè)提供保護(hù)作用，”Riechers說(shuō)。“我們也無(wú)法分辨為什么GST會(huì)增加。”

該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為全基因組關(guān)聯(lián)研究的方法。他們?cè)跍厥抑蟹N植了761粒高粱近交系，比較了僅用安全劑，僅用除草劑或安全劑和除草劑處理的植物。通過(guò)搜索基因組的差異，他們發(fā)現(xiàn)了在安全劑處理的植物中開(kāi)啟的特定基因和基因區(qū)域。毫不奇怪，它們是編碼兩個(gè)GST的基因。

“盡管我們懷疑GST參與其中，但這種技術(shù)似乎確定了負(fù)責(zé)安全高粱，SbGSTF1和第二個(gè)串聯(lián)GST基因的基因，”Riechers說(shuō)。

除了找到解毒的關(guān)鍵基因外，研究人員還分析了安全劑處理過(guò)的植物中表達(dá)的RNA分子，并揭示了植物防御途徑的雙重作用。

根據(jù)Riechers和合著者帕特里克·布朗的說(shuō)法，高粱因產(chǎn)生針對(duì)昆蟲(chóng)和病原體的化感物質(zhì)或化學(xué)防御而聞名。其中之一，dhurrin，是一種具有氰化物基團(tuán)的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)它受到攻擊時(shí)，高粱釋放出“氰化物炸彈”，殺死昆蟲(chóng)或病原體。事實(shí)證明，涉及dhurrin合成和代謝的一些基因也是響應(yīng)安全劑而觸發(fā)的。

“與dhurrin的這種聯(lián)系是一種線索 - 也許安全者正在利用植物已經(jīng)用來(lái)保護(hù)自身的化學(xué)防御途徑，”Riechers說(shuō)。“這是一個(gè)以前從未在高粱中提出過(guò)的新概念。它讓我們了解為什么安全劑可能會(huì)在植物中引發(fā)這種反應(yīng)。”

根據(jù)Riechers的說(shuō)法，使用安全劑打開(kāi)防御和保護(hù)通道的能力可以有各種各樣的應(yīng)用。他說(shuō)：“似乎沒(méi)有合理的除草劑專(zhuān)用途徑。”“也許安全人員可以用來(lái)保護(hù)作物免受昆蟲(chóng)食草動(dòng)物，化學(xué)污染物或環(huán)境壓力的影響。這種可能性和應(yīng)用非常有希望。”

研究人員有計(jì)劃和資金將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到小麥，并最終希望找到更精確的安全劑 - 除草劑 - 作物組合，最終可轉(zhuǎn)化為闊葉作物。