一片粉紫色的獨(dú)腳金屬植物（Striga），原本可以形成非常迷人的花海。但了解這種寄生植物的農(nóng)民卻把它稱作“攝魂的雜草（witchweed）”：它會(huì)吸取稻谷、玉米、谷子、高粱等谷類作物的“元?dú)?rdquo;，它的根莖還在土壤表層之下，就已經(jīng)奪去了谷類作物的生命。
盡管寄生植物有成千上萬(wàn)個(gè)物種，但那些潛入農(nóng)田破壞作物的寄生植物卻給全球糧食安全帶來(lái)了極大的隱憂，特別是在缺乏先進(jìn)除草劑等控制方法的發(fā)展中國(guó)家。單是在非洲，僅僅是黃獨(dú)腳金（Striga hermonthica）一個(gè)品種，每年都會(huì)造成相當(dāng)于100億美元的作物損失。
很多作物研發(fā)者正在試圖鑒別并培育出抗獨(dú)腳金的品種，但研究進(jìn)展相當(dāng)緩慢。農(nóng)民們迫切需要更為直接的應(yīng)對(duì)策略。如今，科學(xué)家的一大新突破可能為這個(gè)令人頭疼的問(wèn)題奉上了新的解決方法。
“攝魂雜草”的邪惡魔法
今年，在《科學(xué)》雜志相繼發(fā)布的三篇文章中，科研人員逐漸破解了這種“攝魂雜草”施展邪惡魔法的方式。他們發(fā)現(xiàn)，獨(dú)腳金種子如何通過(guò)嗅到微量的分子信號(hào)來(lái)尋找新的寄主，以及獨(dú)腳金是如何進(jìn)化出這種極度敏銳的感知能力。
“這些論文顯然代表著一大突破。”以色列Newe Ya'ar研究中心的植物學(xué)家Daniel Joel表示。由于最近科研人員在獨(dú)腳金屬研究上的進(jìn)展，“讓解決或改善這一問(wèn)題的可能性”大幅增加，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)植物遺傳學(xué)家Michael Timko補(bǔ)充道。
據(jù)了解，這種“攝魂雜草”很可能是在非洲作為高粱作物的寄生植物演化而來(lái)。如今，在30種獨(dú)腳金屬植物中，約有80%生長(zhǎng)于非洲，特別是在土地貧瘠的半干旱熱帶地區(qū)。獨(dú)腳金屬植物的噩夢(mèng)也籠罩著亞洲的大部分地區(qū)，但卻鮮見(jiàn)于歐洲、美國(guó)和中國(guó)。
獨(dú)腳金屬寄生植物的“獵食史”聽(tīng)起來(lái)的確有些令人毛骨悚然。
每株獨(dú)腳金可以生產(chǎn)出10萬(wàn)顆種子，這些十分微小的種子可能會(huì)在土壤中潛伏數(shù)十年，直到感知到真正的寄主出現(xiàn)，才開(kāi)始蘇醒。
然后，這些種子會(huì)發(fā)芽生根，用自己的根部刺穿宿主的根部，開(kāi)始吮吸營(yíng)養(yǎng)。及至寄生植物破土而出，綻放花朵時(shí)，宿主作物早已元?dú)獯髠�。其他幾種植物寄生物也展示出這種離奇而可怕的寄生能力。
極度敏銳的感知能力
20世紀(jì)50年代，美國(guó)南、北卡羅來(lái)納州的獨(dú)腳金蔓延成災(zāi)，美國(guó)政府不得不使用乙烯等化學(xué)藥品進(jìn)行造價(jià)高昂的根除計(jì)劃。隨之而來(lái)的一系列研究顯示，獨(dú)腳金種子在感知到棉花植物釋放的一種類似激素的化合物——獨(dú)腳金醇（strigol）時(shí)，就會(huì)促使種子生根發(fā)芽。自那以后，植物學(xué)家鑒別出超過(guò)16種來(lái)自于不同寄主植物的類似的誘發(fā)化合物——獨(dú)腳金內(nèi)酯（strigolactones）。
當(dāng)然，這些寄主植物所釋放的誘發(fā)化合物，并不是為了吸引獨(dú)腳金。近期的研究顯示，這種化合物有兩種基本功能：刺激土壤真菌“菌根”的增長(zhǎng)，形成真菌與植物根的共生關(guān)系，用土壤養(yǎng)分交換碳和氮；第二種功能是作為激素信號(hào)刺激植物本身的增長(zhǎng)。
獨(dú)腳金半路劫走獨(dú)腳金內(nèi)酯為己用。但是，植物釋放到土壤中的這種信號(hào)的濃度非常低，獨(dú)腳金是如何感知到這些分子的呢？這讓科研人員非常困惑。
數(shù)據(jù)顯示，這種信號(hào)在土壤中的濃度可能達(dá)到皮摩爾級(jí)，因此，獨(dú)腳金用于檢測(cè)獨(dú)腳金內(nèi)酯的傳感分子（或受體），必然比寄主植物本身的受體對(duì)這些信號(hào)的敏感程度，要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
然而，人們卻很難對(duì)這種“攝魂雜草”進(jìn)行研究，因?yàn)樗y以在實(shí)驗(yàn)室中得到很好的生長(zhǎng)，而且人們并不知道如何控制這種寄生植物的基因來(lái)檢測(cè)它的功能。在美國(guó)等國(guó)家，獨(dú)腳金已經(jīng)被列為有害雜草，這更讓用于研究的種植培育難過(guò)審批關(guān)。此外，對(duì)于獨(dú)腳金的研究經(jīng)費(fèi)和激勵(lì)機(jī)制并不多，因?yàn)檫@主要是貧困國(guó)家所面臨的問(wèn)題。
“與獨(dú)腳金所波及的范圍相比，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)程度非常低，甚至在植物學(xué)家之間亦是如此。”日本名古屋大學(xué)植物學(xué)家Yuichiro Tsuchiya表示。
不過(guò)，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)獨(dú)腳金內(nèi)酯也是一種植物激素時(shí)，反而從側(cè)面刺激了獨(dú)腳金的研究，讓更多的科研人員加入到這種信號(hào)分子的研究中來(lái)。今年，全球第一次就這些化合物的問(wèn)題召開(kāi)了國(guó)際會(huì)議，而且在過(guò)去幾十年，這方面的論文由一年僅發(fā)表幾篇增長(zhǎng)到每年約100篇，荷蘭瓦格寧根大學(xué)研究中心植物生理學(xué)家Harro Bouwmeester表示。
Tsuchiya和加拿大多倫多大學(xué)的遺傳學(xué)家Peter McCourt也加入了這一研究大潮。他們?cè)趯ふ铱梢源碳つＪ街参?mdash;—擬南芥發(fā)芽的化合物時(shí)，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)類似于獨(dú)腳金內(nèi)酯的化合物。在了解到獨(dú)腳金內(nèi)酯對(duì)獨(dú)腳金的作用后，兩位科學(xué)家決定要使用擬南芥，探測(cè)這種致命雜草如何感知這種信號(hào)并對(duì)信號(hào)作出反應(yīng)。
在擬南芥中，獨(dú)腳金內(nèi)酯在與受體D14結(jié)合時(shí)發(fā)生分裂。因此，Tsuchiya的化學(xué)同事Shinya Hagihara及其研究生Masahiko Yoshimura合成了一個(gè)在分裂時(shí)可以發(fā)出熒光的獨(dú)腳金內(nèi)酯，以揭示獨(dú)腳金是否使用類似于D14的受體。
當(dāng)Tsuchiya將獨(dú)腳金種子暴露于仿制的獨(dú)腳金內(nèi)酯中時(shí)，它們發(fā)出熒光并生根發(fā)芽。他和同事將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于8月21日的《科學(xué)》雜志。“因此，我們現(xiàn)在有了探針能夠告訴我們（獨(dú)腳金的）受體何時(shí)、在何處會(huì)活化。”McCourt表示。
但在當(dāng)時(shí)，這一團(tuán)隊(duì)并不知道促使獨(dú)腳金種子萌發(fā)的受體的真實(shí)身份。
受體的真實(shí)身份
起初，科研人員以為這種受體可能就是D14，但在擬南芥中，這種受體僅控制分枝，而非萌芽——的確，獨(dú)腳金體內(nèi)的D14受體也不控制萌芽。
因此，課題組決定研究擬南芥體內(nèi)的一組相關(guān)受體——HTL（或KAI2），這種受體在遇到類似于獨(dú)腳金內(nèi)酯的化合物時(shí)，會(huì)使種子發(fā)芽。（森林大火會(huì)產(chǎn)生這種化合物，HTL對(duì)這種化合物的感知似乎會(huì)加速種子在灰燼中生根發(fā)芽。）
獨(dú)腳金的基因組中有11個(gè)HTL基因，Tsuchiya開(kāi)始在試管中檢測(cè)每個(gè)基因的蛋白結(jié)合獨(dú)腳金內(nèi)酯的能力。他與McCourt及其博士后Shigeo Toh一起，將每個(gè)獨(dú)腳金的基因注入到缺少HTL基因的擬南芥中。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，獨(dú)腳金的其中一個(gè)HTL基因促使擬南芥種子在響應(yīng)獨(dú)腳金內(nèi)酯時(shí)開(kāi)始發(fā)芽。接著，他們展示出，其他大多數(shù)HTL基因也可以做到這一點(diǎn)。
這項(xiàng)成果巧妙地呼應(yīng)了喬治亞大學(xué)分子遺傳學(xué)家David Nelson和團(tuán)隊(duì)于7月31日發(fā)表在《科學(xué)》上的科研成果。Nelson的團(tuán)隊(duì)也有力地證明了HTL基因?qū)τ讵?dú)腳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（獨(dú)腳金）的獨(dú)腳金內(nèi)酯受體如何進(jìn)化，來(lái)支持檢測(cè)寄主的功能”，Tsuchiya表示。綜合數(shù)據(jù)顯示，原始HTL的復(fù)制最終產(chǎn)生了兩種獨(dú)腳金內(nèi)酯受體：所有植物都擁有的D14受體，用于后期生長(zhǎng)；以及獨(dú)腳金等寄生物擁有的、被改變用途的HTL，用于誘發(fā)種子萌芽。
為了研究這種改變用途的受體的敏感度，Toh檢測(cè)了擁有相應(yīng)獨(dú)腳金基因的轉(zhuǎn)基因擬南芥植物。Toh、McCourt 及同事在10月發(fā)表的研究成果中表示，HTL7致使擬南芥對(duì)獨(dú)腳金內(nèi)酯的敏感度提升了超過(guò)五個(gè)數(shù)量級(jí)。
他們通過(guò)對(duì)其中一個(gè)獨(dú)腳金HTL受體進(jìn)行結(jié)晶，并將它的結(jié)構(gòu)對(duì)比擬南芥固有的HTL發(fā)現(xiàn)，寄生物受體結(jié)合獨(dú)腳金內(nèi)酯的口袋尺寸是擬南芥的兩倍。尺寸的差別，再加之口袋周圍氨基酸的差異，可能可以解釋寄生物受體為何有如此過(guò)人的敏感度，他們?cè)u(píng)論道。
打響“獨(dú)腳金反擊戰(zhàn)”
左手擁有“攝魂雜草”關(guān)鍵的獨(dú)腳金內(nèi)酯受體，右手具備研究和精確瞄準(zhǔn)受體的最新工具，現(xiàn)如今，植物生物學(xué)家對(duì)打響“獨(dú)腳金的反擊戰(zhàn)”充滿激情。
“這些論文告訴我們應(yīng)該瞄準(zhǔn)哪些目標(biāo)。”McCourt表示。他設(shè)想要改進(jìn)“自殺發(fā)芽”的策略：在農(nóng)田尚未種植寄主作物時(shí)，就噴灑誘發(fā)獨(dú)腳金種子發(fā)芽的化合物，讓獨(dú)腳金可以提前死亡。
他表示，探索受體結(jié)構(gòu)以及哪種獨(dú)腳金內(nèi)酯對(duì)各種獨(dú)腳金最重要的具體細(xì)節(jié)，應(yīng)該會(huì)指明新的抗獨(dú)腳金武器。而且通過(guò)使用轉(zhuǎn)基因擬南芥，培育者可以檢測(cè)出通過(guò)基因改造作物釋放不同的獨(dú)腳金內(nèi)酯，是否會(huì)阻礙獨(dú)腳金的蘇醒。
在不久的將來(lái)，科學(xué)終將戰(zhàn)勝“攝魂雜草”的魔咒�！�