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作者：吴廖综合报道 来源： 发布时间：2015-11-17 12:24:5
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一片粉紫色的独脚金属植物（Striga），原本可以形成非常迷人的花海。但了解这种寄生植物的农民却把它称作“摄魂的杂草（witchweed）”：它会吸取稻谷、玉米、谷子、高粱等谷类作物的“元气”，它的根茎还在土壤表层之下，就已经夺去了谷类作物的生命。
尽管寄生植物有成千上万个物种，但那些潜入农田破坏作物的寄生植物却给全球粮食安全带来了极大的隐忧，特别是在缺乏先进除草剂等控制方法的发展中国家。单是在非洲，仅仅是黄独脚金（Striga hermonthica）一个品种，每年都会造成相当于100亿美元的作物损失。
很多作物研发者正在试图鉴别并培育出抗独脚金的品种，但研究进展相当缓慢。农民们迫切需要更为直接的应对策略。如今，科学家的一大新突破可能为这个令人头疼的问题奉上了新的解决方法。
“摄魂杂草”的邪恶魔法
今年，在《科学》杂志相继发布的三篇文章中，科研人员逐渐破解了这种“摄魂杂草”施展邪恶魔法的方式。他们发现，独脚金种子如何通过嗅到微量的分子信号来寻找新的寄主，以及独脚金是如何进化出这种极度敏锐的感知能力。
“这些论文显然代表着一大突破。”以色列Newe Ya'ar研究中心的植物学家Daniel Joel表示。由于最近科研人员在独脚金属研究上的进展，“让解决或改善这一问题的可能性”大幅增加，美国弗吉尼亚大学植物遗传学家Michael Timko补充道。
据了解，这种“摄魂杂草”很可能是在非洲作为高粱作物的寄生植物演化而来。如今，在30种独脚金属植物中，约有80%生长于非洲，特别是在土地贫瘠的半干旱热带地区。独脚金属植物的噩梦也笼罩着亚洲的大部分地区，但却鲜见于欧洲、美国和中国。
独脚金属寄生植物的“猎食史”听起来的确有些令人毛骨悚然。
每株独脚金可以生产出10万颗种子，这些十分微小的种子可能会在土壤中潜伏数十年，直到感知到真正的寄主出现，才开始苏醒。
然后，这些种子会发芽生根，用自己的根部刺穿宿主的根部，开始吮吸营养。及至寄生植物破土而出，绽放花朵时，宿主作物早已元气大伤。其他几种植物寄生物也展示出这种离奇而可怕的寄生能力。
极度敏锐的感知能力
20世纪50年代，美国南、北卡罗来纳州的独脚金蔓延成灾，美国政府不得不使用乙烯等化学药品进行造价高昂的根除计划。随之而来的一系列研究显示，独脚金种子在感知到棉花植物释放的一种类似激素的化合物——独脚金醇（strigol）时，就会促使种子生根发芽。自那以后，植物学家鉴别出超过16种来自于不同寄主植物的类似的诱发化合物——独脚金内酯（strigolactones）。
当然，这些寄主植物所释放的诱发化合物，并不是为了吸引独脚金。近期的研究显示，这种化合物有两种基本功能：刺激土壤真菌“菌根”的增长，形成真菌与植物根的共生关系，用土壤养分交换碳和氮；第二种功能是作为激素信号刺激植物本身的增长。
独脚金半路劫走独脚金内酯为己用。但是，植物释放到土壤中的这种信号的浓度非常低，独脚金是如何感知到这些分子的呢？这让科研人员非常困惑。
数据显示，这种信号在土壤中的浓度可能达到皮摩尔级，因此，独脚金用于检测独脚金内酯的传感分子（或受体），必然比寄主植物本身的受体对这些信号的敏感程度，要高出几个数量级。
然而，人们却很难对这种“摄魂杂草”进行研究，因为它难以在实验室中得到很好的生长，而且人们并不知道如何控制这种寄生植物的基因来检测它的功能。在美国等国家，独脚金已经被列为有害杂草，这更让用于研究的种植培育难过审批关。此外，对于独脚金的研究经费和激励机制并不多，因为这主要是贫困国家所面临的问题。
“与独脚金所波及的范围相比，对这个问题的认识程度非常低，甚至在植物学家之间亦是如此。”日本名古屋大学植物学家Yuichiro Tsuchiya表示。
不过，当人们发现独脚金内酯也是一种植物激素时，反而从侧面刺激了独脚金的研究，让更多的科研人员加入到这种信号分子的研究中来。今年，全球第一次就这些化合物的问题召开了国际会议，而且在过去几十年，这方面的论文由一年仅发表几篇增长到每年约100篇，荷兰瓦格宁根大学研究中心植物生理学家Harro Bouwmeester表示。
Tsuchiya和加拿大多伦多大学的遗传学家Peter McCourt也加入了这一研究大潮。他们在寻找可以刺激模式植物——拟南芥发芽的化合物时，发现了几个类似于独脚金内酯的化合物。在了解到独脚金内酯对独脚金的作用后，两位科学家决定要使用拟南芥，探测这种致命杂草如何感知这种信号并对信号作出反应。
在拟南芥中，独脚金内酯在与受体D14结合时发生分裂。因此，Tsuchiya的化学同事Shinya Hagihara及其研究生Masahiko Yoshimura合成了一个在分裂时可以发出荧光的独脚金内酯，以揭示独脚金是否使用类似于D14的受体。
当Tsuchiya将独脚金种子暴露于仿制的独脚金内酯中时，它们发出荧光并生根发芽。他和同事将这一发现发表于8月21日的《科学》杂志。“因此，我们现在有了探针能够告诉我们（独脚金的）受体何时、在何处会活化。”McCourt表示。
但在当时，这一团队并不知道促使独脚金种子萌发的受体的真实身份。
受体的真实身份
起初，科研人员以为这种受体可能就是D14，但在拟南芥中，这种受体仅控制分枝，而非萌芽——的确，独脚金体内的D14受体也不控制萌芽。
因此，课题组决定研究拟南芥体内的一组相关受体——HTL（或KAI2），这种受体在遇到类似于独脚金内酯的化合物时，会使种子发芽。（森林大火会产生这种化合物，HTL对这种化合物的感知似乎会加速种子在灰烬中生根发芽。）
独脚金的基因组中有11个HTL基因，Tsuchiya开始在试管中检测每个基因的蛋白结合独脚金内酯的能力。他与McCourt及其博士后Shigeo Toh一起，将每个独脚金的基因注入到缺少HTL基因的拟南芥中。团队发现，独脚金的其中一个HTL基因促使拟南芥种子在响应独脚金内酯时开始发芽。接着，他们展示出，其他大多数HTL基因也可以做到这一点。
这项成果巧妙地呼应了乔治亚大学分子遗传学家David Nelson和团队于7月31日发表在《科学》上的科研成果。Nelson的团队也有力地证明了HTL基因对于独脚金等寄生物的寄主感知具有重要作用。
Nelson和同事“第一次展示了（独脚金）的独脚金内酯受体如何进化，来支持检测寄主的功能”，Tsuchiya表示。综合数据显示，原始HTL的复制最终产生了两种独脚金内酯受体：所有植物都拥有的D14受体，用于后期生长；以及独脚金等寄生物拥有的、被改变用途的HTL，用于诱发种子萌芽。
为了研究这种改变用途的受体的敏感度，Toh检测了拥有相应独脚金基因的转基因拟南芥植物。Toh、McCourt 及同事在10月发表的研究成果中表示，HTL7致使拟南芥对独脚金内酯的敏感度提升了超过五个数量级。
他们通过对其中一个独脚金HTL受体进行结晶，并将它的结构对比拟南芥固有的HTL发现，寄生物受体结合独脚金内酯的口袋尺寸是拟南芥的两倍。尺寸的差别，再加之口袋周围氨基酸的差异，可能可以解释寄生物受体为何有如此过人的敏感度，他们评论道。
打响“独脚金反击战”
左手拥有“摄魂杂草”关键的独脚金内酯受体，右手具备研究和精确瞄准受体的最新工具，现如今，植物生物学家对打响“独脚金的反击战”充满激情。
“这些论文告诉我们应该瞄准哪些目标。”McCourt表示。他设想要改进“自杀发芽”的策略：在农田尚未种植寄主作物时，就喷洒诱发独脚金种子发芽的化合物，让独脚金可以提前死亡。
他表示，探索受体结构以及哪种独脚金内酯对各种独脚金最重要的具体细节，应该会指明新的抗独脚金武器。而且通过使用转基因拟南芥，培育者可以检测出通过基因改造作物释放不同的独脚金内酯，是否会阻碍独脚金的苏醒。
在不久的将来，科学终将战胜“摄魂杂草”的魔咒。■
《科学新闻》 (科学新闻2015年10月刊 科学·深度)
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