2022
12/26
相关创新主体

创新背景

菌核病菌核是一种毁灭性的真菌病原体,可以感染400多种不同的植物物种。植物感染菌核枯萎或白霉病以后会枯萎。白色的棉花状真菌孢子会过度生长植物的叶子和茎。在农业方面,油菜籽种植尤其面临风险。

 

创新过程

马克斯普朗克化学生态研究所的科学家们长期以来一直在研究构成卷心菜科植物特殊防御机制的硫代葡萄糖苷和异硫氰酸盐,包括油菜籽、萝卜和芥末。他们试图找出成功的植物病原体克服植物防御并定植这些植物的机制。因此,研究将对象转向广泛存在的真菌病原体,探究真菌病原体是否有策略来适应卷心菜家族植物的化学防御。

研究人员能够通过实验证明,基于硫代葡萄糖苷的防御实际上对真菌攻击有效。他们还发现了白霉菌通过两种不同策略来解毒防御物质:第一种是将谷胱甘肽与异硫氰酸酯毒素结合的一般解毒途径。这种有机毒物的解毒在昆虫甚至哺乳动物中很常见。使异硫氰酸酯无害的第二种也是更有效的方法是水解它们,即用水分子酶促地切割它们。研究人员想要确定这种解毒机制背后的酶和相应的基因。在细菌中成功解毒这些物质的基因已经被描述,在用模式植物拟南芥进行实验后,它们被称为萨克斯基因:Survival in Arabidopsis eXtracts。

研究基于已知的细菌SaxA蛋白进行搜索,以选择候选基因进行进一步研究。然后,他们测试了这些基因是否实际上在暴露于毒素的真菌中大量表达,以及由此产生的蛋白质是否可以使毒素无害。通过使用高分辨率分析方法,科学家们能够识别和量化真菌在解毒过程中产生的代谢物。他们还使用了SaxA编码基因被敲除的真菌突变体进行比较。结果表明。白霉菌的萨克斯蛋白对一系列异硫氰酸酯具有活性,使其能够定植于卷心菜家族的不同植物。

缺乏这种解毒途径基因的突变体耐受异硫氰酸酯的能力显着降低。这些突变体上调了它们的一般解毒途径。谷胱甘肽偶联不能像水解那样有效地解毒异硫氰酸酯,但这种一般途径始终存在,因为它可以帮助真菌解毒各种各样的毒物。这种一般途径最初可能保护真菌,而更专业途径所需的机器在最初接触毒素后组装,并且可以在感染后期接管。

在进一步的实验中,研究人员希望研究成功感染卷心菜家族植物的其他真菌是否也通过相同的途径解毒异硫氰酸酯,以及不相关的真菌物种是否也能够降解这些毒素。然后研究将了解这种广泛的解毒是由于真菌定植芥末的反复进化,还是随着时间的推移而保存的特征,因此在许多真菌系中被发现。

 

创新关键点

卷心菜植物组织受损时,会形成有毒的异硫氰酸酯,并可以有效地抵御攻击者。研究证明,这种防御在某种程度上对广泛有害的真菌菌核病也有效。然而,病原体使用至少两种不同的解毒机制,使真菌能够成功地在以这种方式保护的植物上传播。这样形成的代谢产物对真菌无毒,使其能够在这些植物上生长。

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