番茄遗传学：进入“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一个意想不到的关于“番茄焦油”中发现的糖的遗传启示，揭示了植物防御机制及其在害虫控制方面的潜在应用。

番茄焦油是热衷园艺的人所熟悉的讨厌东西，它是一种金黑色的粘性物质，触摸番茄后会粘在手上。事实证明，这种物质特有的粘性起着重要的作用。它是由一种叫做酰基糖的糖制成的，这种糖可以作为一种天然的捕蝇纸，防止潜在的害虫。密歇根州立大学的研究人员、这项研究的负责人罗伯特·拉斯特说：“植物已经进化到可以制造出许多神奇的毒药和其他生物活性化合物。”拉斯特的实验室专门研究酰基糖和微小的毛发状结构，它们是在那里产生和储存的，被称为毛状体。

在一项令人惊讶的发现中，研究人员发现，曾经被认为只存在于毛状体中的酰基糖，也存在于番茄根中。这一发现是一个基因谜，它带来的问题和见解一样多。

密歇根州立大学研究的目的是了解这些根酰基糖的起源和功能。他们发现，番茄不仅在根部和毛状体中合成化学上独特的酰基糖，而且这些酰基糖是通过两条平行的代谢途径产生的。这相当于汽车工厂的装配线生产同一辆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的适应性和进化故事，茄科是一个庞大的植物家族，包括西红柿、茄子、土豆、辣椒、烟草和矮牵牛花。

它们还可以为研究人员提供有价值的信息，帮助他们将植物分子转化为化合物，以帮助人类。拉斯特说：“从药品、杀虫剂到防晒霜，人类适应不同用途的许多小分子来自植物、微生物和昆虫之间的军备竞赛。”

根与芽

除了对生长至关重要的关键化学物质外，植物还产生了在环境相互作用中起关键作用的化合物宝库。它们可以吸引有用的传粉者，是抵御有害生物的第一道防线。

“这些特殊代谢物的非凡之处在于，它们通常是在高度精确的细胞和组织中合成的，”密歇根州立大学博士后研究员、最新论文的第一作者雷切尔·克尔温说。

“以酰基糖为例。你不会在番茄的叶子或茎中发现它们。这些物理粘性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，这是对老式基因探测工作的呼唤。

“这些酰基糖在根中的存在令人着迷，并引发了许多问题。这是如何发生的，它们是如何制造的，它们与我们一直在研究的毛状酰基糖有什么不同？”

为了解开这个进化之谜，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马克斯·t·罗杰斯核磁共振设施的工作人员合作。

在比较番茄幼苗根和芽的代谢物时，出现了多种差异。地上和地下的酰基糖的基本化学组成明显不同，以至于它们可以完全被定义为不同类别的酰基糖。

破坏汽车

最后，密歇根州立大学自然科学学院生物化学和分子生物学系以及植物生物学系的一位杰出教授，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，试图通过一次破坏一个部件来弄清楚汽车是如何工作的，”他说。“如果你把一辆汽车的轮胎压扁了，发现引擎还在运转，即使你不知道轮胎到底是做什么的，你也发现了一个关键的事实。”

把汽车部件换成基因，你就能更清楚地了解拉斯特的实验室为进一步破解根酰基糖密码所做的工作。

通过查看公开的基因序列数据，克尔温注意到，在番茄毛状体中表达的许多基因在根系中都有近亲。在确定了一种被认为是根酰基糖生物合成的第一步的酶之后，研究人员开始“破坏汽车”。

当他们敲除根酰基糖候选基因时，根酰基糖的生产消失了，而毛酰基糖的生产却没有受到影响。

同时，当研究充分的毛状体酰基糖基因被敲除时，根上的酰基糖生产照常进行。

这些发现提供了令人惊讶的证据，证明了代谢镜像的存在。

拉斯特说：“除了我们研究多年的地上酰基糖途径外，我们还发现了地下存在的第二个平行宇宙。”

“这证实了我们在同一株植物中有两种途径共存，”克尔温补充说。

为了推动这一突破，博士后研究员、最新论文的第二作者杰尼·哈特更仔细地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一种经过充分研究的化学匹配，她发现根酶和根酰基糖之间也有很有希望的联系。

哈特解释说：“研究分离的酶是确定它们的活性和得出它们在植物细胞内功能作用的结论的有力工具。”

这些发现进一步证明了在同一株番茄植株中存在平行的代谢途径。

“植物和汽车是如此不同，但相似之处在于，当你打开众所周知的引擎盖时，你会意识到使它们运行的众多部件和连接。这项工作让我们对番茄植物中的一个部分有了新的认识，并促使我们进一步研究它的进化和功能，以及我们是否可以在其他方面利用它，”资助这项工作的美国国家科学基金会的项目主任Pankaj Jaiswal说。

他补充说：“我们对生物了解得越多 —— 从西红柿和其他作物到动物和微生物 ——利用这些知识造福社会的机会就越大。”

集群中的集群

这篇论文还报道了一个与生物合成基因簇（BGCs）有关的令人着迷和意想不到的转折。

BGC是染色体上物理分组的基因集合，并有助于特定的代谢途径。此前，拉斯特的实验室在番茄植物中发现了一个含有与毛状体酰基糖相关基因的BGC。克尔温、哈特和他们的合作者现在已经发现根表达的酰基糖酶位于同一簇中。

“通常在BGCs中，这些基因在相同的组织和相似的条件下共同表达，”克尔温说。“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。”

这一发现促使克尔温深入研究茄科物种的进化轨迹，希望确定这两种独特的酰基糖途径是何时以及如何发展的。具体来说，研究人员提请注意大约1900万年前负责毛状体酰基糖的酶被复制的时刻。有一天，这种酶将负责新发现的根表达酰基糖途径。

在根中“开启”这种酶的确切机制仍然未知，这为拉斯特的实验室继续解开茄科植物的进化和代谢秘密铺平了道路。

克尔温说：“研究茄科提供了如此多的科学资源，以及一个强大的研究人员社区。通过它们作为作物和园艺的重要性，这些植物已经被人类关心了几千年。”

最后，这些突破也提醒我们天然农药的重要性，而防御代谢物，如酰基糖，最终代表了天然农药的重要性。

“如果我们发现这些根上的酰基糖能有效地抵御有害生物，那么它们能否被培育到其他茄属植物中，从而帮助植物生长，而不需要有害的合成杀菌剂和杀虫剂？”拉斯特问。

“这些都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品依赖的核心问题。”

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