当植物受到入侵的细菌、病毒或真菌的攻击时，它们会采取双刃剑的反应，既产生杀死入侵者的攻击性化学物质，又产生防止虫害蔓延的防御性化学物质。
Mary Beth Mudgett(左)、Eric Holmes和Elizabeth Sattely设计了番茄植株来抵抗感染，这可能是帮助农业植物抵抗感染的第一步。(图片来源:艾米·亚当斯)
现在，斯坦福大学的科学家们已经使用一种化学疫苗来启动这种植物防御系统，以防止局部感染演变成传染，这可能是帮助农作物抵御感染的第一步。
在10月22日的《科学》杂志上发表的一份报告中暗示,植物生物学家玛丽·贝思Mudgett领导的研究小组和化学工程师伊丽莎白Sattely描述他们如何保存番茄和胡椒植物细菌性斑点病、细菌性感染的常见的名字,可以传播从叶到叶子,叶子变黄,最终杀死植物。
他们用一种新发现的、自然产生的化学物质n -羟基果酸(NHP)来处理未受感染的叶子，从而达到了这一目的。这种化学物质反过来又引发了一系列的化学反应，使得未受感染的叶子对寻求入侵的病原体不那么友好。
最近发现
“直到去年，我们的团队和另一个团队才在实验室里发现了NHP是如何在植物的这种防御系统中起作用的，”生物学教授Mudgett说。“这一次，我们制造了NHP，并证明我们可以把它用作启动农作物防御机制的接种剂。”
Sattely是一名化学工程副教授，他说这些发现的意义不仅仅是西红柿和辣椒。研究小组分析了50多种植物的基因组，包括玉米和大豆。这些物种中有许多具有至少产生少量NHP的遗传机制，这表明它们也有可能创造自我保护的化学屏障。现在，已经证明了额外剂量的NHP在西红柿和辣椒中触发了这种自我防御系统，她认为有可能将NHP基因剪接到商业植物中来增强它们的自然防御。
“这是我们的方向，但首先我们需要更多地了解生物学，”Sattely说。“大自然就是关于权衡的。如果我们设计一个工厂，把更多的能量用于国防，那将如何影响增长?到目前为止，我们还不知道。”
自然保护
这项研究是Mudgett和Sattely之间卓有成效的合作的延续，该合作始于Sattely实验室的研究生Jakub Rajniak在实验室植物中发现NHP之后。Mudgett实验室的博士后学者陈云柱和与Sattely一起工作的研究生Eric Holmes随后发现，NHP激活了一种被称为系统获得性抗性(SAR)的系统，该系统产生一种化学防御屏障来保护未受感染的组织。科学家们之前知道这个防御系统，但不知道是什么激活了它。
对番茄和辣椒的新研究试图确定NHP是否也在这些植物中引发了获得性抗性反应。为了找到答案，陈和霍尔姆斯在番茄和胡椒叶的底部注射了NHP。然后他们用导致细菌斑点的细菌感染树叶。所有经过处理的植物都没有出现疾病症状，这表明NHP激活了整个植物组织的抗性。那些在叶子上补水而不是NHP的植物会死于感染。
我们想利用基因工程来提高植物的自然防御能力。
伊丽莎白Sattely
化学工程副教授
陈和霍尔姆斯随后想弄清楚他们是否可以在番茄中制造NHP，以及这种内部NHP是否也会激活抗性。为了找到答案，他们把产生NHP所需的基因放入番茄植株中。这些植物内的细胞开始产生NHP，这激活了它们的SAR防御，阻止了细菌斑点的发展。
最后，研究人员希望将这两种产生nhp的基因插入到粮食作物的种子库中，并在实验室的大棚中培育试验植物，以了解它们是否能够增强整个植物的SAR防御，并观察这将如何影响植物的整体生理机能。
“我们想通过基因工程来提高植物的自然防御能力，”Sattely说。
Mudgett认为，提高NHP产量可以用来帮助作物抵御意料之外的感染因子。与人类疫苗不同的是，人用疫苗可以抵御特定的病原体，如百日咳或流感，一旦NHP破坏了SAR防御系统，产生的化学屏障似乎会转移大量病原体。Mudgett说，这种天然植物化合物与作物的其他抗病特性结合起来，可能是防止多种病原体暴发的一种有前途的方法。
她说:“如今，我们培育出能够抵抗某种特定疾病的作物，当病原体变异并克服了这种抗性，我们就可以重新开始了。”“这可能是同时抵御多种威胁的一种方式。”
Mudgett是Stanford Bio-X的成员，也是Stanford chemi – h的教员。Sattely是HHMI的研究员，也是斯坦福大学医学院的研究员。这项工作得到了霍华德休斯医学研究所、西蒙斯基金会、国家科学基金会、两国科学基金会和台湾科技部的支持。
要阅读关于斯坦福科学的所有故事，请订阅《斯坦福科学文摘》。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2019/10/22/chemical-vaccine-helps-plants-repel-pathogens/