番茄遗传学：一场“平行宇宙”的意外之旅
在《科学进展》最近发表的一项新研究中，密歇根州立大学的研究人员揭示了有关“番茄焦油”中发现的糖的意外基因启示，揭示了植物防御机制及其在害虫防治中的潜在应用。
番茄焦油是园艺爱好者们经常遇到的麻烦，它是一种粘稠的金黑色物质，手接触植物后会粘在手上。事实证明，这种物质特有的粘性具有重要用途。它由一种名为酰糖的糖制成，酰糖可作为天然的粘蝇纸，用于驱赶潜在害虫。“植物已经进化出许多令人惊叹的毒药和其他生物活性化合物，”这项研究的负责人、密歇根州立大学研究员罗伯特·拉斯特说。拉斯特实验室专门研究酰糖以及生产和储存酰糖的微小毛发状结构，即毛状体。
研究人员在一项令人惊奇的发现中发现，曾经被认为只存在于毛状体中的酰基糖，现在也存在于番茄根部。这一发现是一个遗传谜团，它既带来了许多见解，也带来了许多疑问。
密歇根州立大学的研究目的是了解这些根部酰糖的来源和功能。他们发现，番茄植株不仅在根部和毛状体中合成化学性质独特的酰糖，而且这些酰糖是通过两种平行的代谢途径产生的。这相当于汽车厂的装配线生产同一款汽车的两种不同型号，但从不相互作用。
这些发现有助于科学家更好地了解茄科植物的恢复力和进化故事。茄科植物是一个庞大的植物家族，包括西红柿、茄子、土豆、辣椒、烟草和矮牵牛。
它们还可以为研究人员提供宝贵的信息，帮助他们将植物产生的分子开发成化合物来帮助人类。“从药物到杀虫剂再到防晒霜，人类为不同用途而采用的许多小分子都来自植物、微生物和昆虫之间的军备竞赛，”拉斯特说。
根与芽
除了生长所必需的关键化学物质外，植物还会产生大量在环境相互作用中发挥关键作用的化合物。这些化合物可以吸引有用的传粉昆虫，是抵御有害生物的第一道防线。
密歇根州立大学博士后研究员、最新论文的第一作者 Rachel Kerwin 说：“这些特殊代谢物的奇妙之处在于它们通常在高度精确的细胞和组织中合成。”
“以酰糖为例。你不会发现它们在番茄植株的叶子或茎中产生。这些具有物理粘性的防御代谢物是在毛状体的尖端产生的。”
当有报道称在番茄根部也能发现酰基糖时，克尔温认为这是对老式基因侦探工作的呼吁。
“这些酰基糖在根部的存在令人着迷，并引发了许多问题。这是怎么发生的，它们是如何产生的，它们与我们一直在研究的毛状体酰基糖有什么不同？”
为了开始解决进化之谜，实验室成员与密歇根州立大学质谱和代谢组学核心的专家以及 Max T. Rogers 核磁共振设施的工作人员合作。
在比较番茄幼苗根部和芽部的代谢物时，出现了各种差异。地上和地下酰基糖的基本化学组成明显不同，以至于可以将它们定义为完全不同的酰基糖类别。
破坏汽车
最后，密歇根州立大学自然科学学院生物化学与分子生物学系和植物生物学系的一位大学杰出教授提供了一个有用的类比来解释遗传学家如何研究生物学。“想象一下，通过一次拆开一个部件来弄清楚汽车的工作原理，”他说。“如果你把汽车的轮胎放气后发现发动机仍在运转，那么即使你不知道轮胎到底起什么作用，你也发现了一个关键事实。”
把汽车零件换成基因，你就能更清楚地了解 Last 实验室为进一步破解根酰糖密码而完成的工作。
通过查看公开的基因序列数据，Kerwin 注意到番茄毛状体酰糖生成中表达的许多基因在根部有近亲。在确定了一种被认为是根部酰糖生物合成第一步的酶后，研究人员开始“破译”这一理论。
当他们敲除根部酰糖候选基因时，根部酰糖的产生就消失了，而毛状体酰糖的产生却不受影响。
同时，当深入研究的毛状体酰糖基因被敲除时，根部酰糖的产生仍照常进行。
这些发现为疑似代谢镜像提供了强有力的证据。
“除了我们多年来一直在研究的地上酰糖途径之外，我们还发现了存在于地下的第二个平行宇宙，”拉斯特说。
“这证实了我们在同一植物中存在两种共存的途径，”克尔温补充道。
为了推动这一突破，博士后研究员、最新论文的第二作者 Jaynee Hart 仔细研究了毛状体和根酶的功能。
正如毛状体酶和它们产生的酰基糖是经过充分研究的化学匹配一样，她也发现了根酶和根酰基糖之间存在有希望的联系。
“研究分离的酶是确定其活性和得出有关其在植物细胞内功能作用的结论的有力工具，”哈特解释道。
这些发现进一步证明了单株番茄植株中存在平行的代谢途径。
“植物和汽车如此不同，但又如此相似，当你打开引擎盖时，你会发现它们由众多部件和连接组成，这些部件和连接使它们正常运转。这项研究让我们对番茄植株中的其中一个部件有了新的认识，并促使我们进一步研究其进化和功能，以及我们能否以其他方式利用它，”资助这项研究的美国国家科学基金会项目主任 Pankaj Jaiswal 说道。
集群内的集群
该论文还报道了与生物合成基因簇（BGC）有关的一个令人着迷且出乎意料的转折。
BGC 是染色体上物理分组的基因集合，它们参与特定的代谢途径。此前，Last 实验室发现了一个 BGC，其中包含与番茄植株毛状体酰基糖相关的基因。Kerwin、Hart 和他们的合作者现在发现根部表达的酰基糖酶位于同一簇中。
“通常在根癌基因中，基因在相同的组织和相似的条件下共同表达，”Kerwin 说。“但在这里，我们有两个独立但相互关联的基因组。一些在毛状体中表达，一些在根中表达。”
这一发现促使 Kerwin 深入研究茄科植物的进化轨迹，希望确定这两种独特的酰基糖途径何时以及如何发展。具体来说，研究人员注意到大约 1900 万年前，负责毛状体酰基糖的酶被复制。这种酶有朝一日将成为新发现的根表达酰基糖途径的负责人。
在根部“启动”这种酶的具体机制仍然未知，这为 Last 实验室继续揭开茄科植物的进化和代谢秘密铺平了道路。
克尔温说：“与茄科植物合作提供了大量的科学资源，以及强大的研究人员社区。”
“由于这些植物作为农作物和园艺的重要性，它们已经受到人类数千年的关注。”
对于拉斯特来说，这些突破也提醒了人们天然农药的重要性，而酰基糖等防御代谢产物最终代表了天然农药的重要性。
“如果我们发现这些根酰糖能够有效驱除有害生物，那么是否可以将它们培育到其他茄科植物中，从而帮助植物生长，而无需使用有害的合成杀菌剂和杀虫剂？”拉斯特问道。
“这些是人类追求更纯净的水、更安全的食物和减少对有害合成化学物质的依赖的核心问题。”
参考文献：“番茄根部特化代谢物通过基因复制和生物合成基因簇内的调控分歧进化而来”，
