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植物防禦系統研究,著眼改善農業與醫藥

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/06/13

馬里蘭大學巴爾的摩分校生物科學教授Hua Lu研究團隊發現,植物的晝夜節律與其抵禦疾病和害蟲的能力之間存在新的遺傳關聯。這些發現已有10年,並於本週在《自然通訊》期刊上發表。結果最終可能引導植物對致病病原體產生更強的抵抗力,並為人類疾病提供更好的治療。

為了應對細菌、真菌和其他害蟲的日常攻擊,植物發展出各種保護自己的策略。植物可以關閉它們的氣孔以防止細菌進入。它們可能會生產水楊酸和茉莉酸等化學物質來驅除細菌和昆蟲,並且還製造了大量對成功防禦很重要的蛋白質。

諸如關閉氣孔、產生水楊酸等的行為每天都會發生,通常在某些病原體和害蟲最有可能活躍的時候達到高峰。植物防禦的節奏性質表明植物正在協調其內部時鐘與其防禦系統,以提高其防禦行動的有效性。

在這項研究中,研究團隊首次發現LUX是植物生理時鐘裡的中心基因,對於在一天中的特定時間調節氣孔的開啟和關閉,以及用於啟動由水楊酸和茉莉酸介導的防禦十分重要。

在典型的植物中,氣孔在白天打開,以便能夠交換光合作用所需的氣體,隨後在晚上關閉,以防止水分流失。氣孔也響應白天病原體的攻擊而關閉。它們對夜間襲擊的反應微乎其微,因為已經關閉。

然而,在具有非功能性LUX基因的植物中,研究人員發現氣孔在白天和夜晚都是開放的。在白天攻擊期間,氣孔比普通植物開闊,然而,在夜間襲擊中,一些氣孔關閉。這意味著缺乏功能性LUX基因的植物,對其氣孔何時開放的控制較少,會讓更多的機會性病原體進入。這種區別表明LUX對於氣孔驅動的防禦反應時間至關重要,將生物時鐘的防禦系統化以一種新的方式。

此項研究也深入研究了LUX基因與防禦化學品水楊酸和茉莉酸之間的關係。雖然眾所周知,生理時鐘可以調節防禦反應,但此項論文表明反過來也是如此。Lu教授說道:「適當調整的生理時鐘對於啟動防禦很重要。當防禦被啟動時,它可以反饋來調節生理時鐘。」

研究小組特別表明,正常的茉莉酸信號需要LUX的存在。反過來,茉莉酸也影響LUX和生理時鐘的表達。生理時鐘和防禦信號之間的相互調節,有助於植物正常生長發育以及防禦反應平衡其能量。

研究團隊有興趣進一步研究以確定時間如何影響植物防禦系統。生理時鐘如何影響多方面的防禦反應?來自病原體和害蟲的哪些分子會干擾植物的生物鐘,從而限制其保護自身的能力?更好地了解時鐘基因如何控制植物防禦,以及病原體如何與植物防禦系統相互作用,可以使農業及其他方面受益。

Lu教授表示:「病原體一直到處都是。病原體中最活躍的形式通常在一天內變化。而且,植物在一天的不同時間可以有不同的防禦策略。那麼,何時才是噴灑殺蟲劑的最佳時間?這可能取決於病原體、其感染模式以及作物的行為。我認為需要進行現場測試,才能確定應用化學品的最佳時間,以達到預防感染的最大效果。」

減少農藥的使用總量可以減少化學品流入水道的流量,降低農民的成本。減少抗生素的使用可能有助於阻止抗生素抗藥性,這對人類也有益。

此外,植物不是唯一一個免疫系統活動全天波動的生物,動物系統也有每日循環。因此,研究人員認為,類似的想法可以應用於醫學領域。

植物和動物在分子水平上與病原體和害蟲相互作用的方式之間存在相似之處。也許在將來,病患的處方將附帶具體的時間指示,或者根據患者的免疫系統活動安排手術時間。

研究團隊希望此項研究,有助提高作物產量以滿足不斷增長的人口,或透過改善時間和劑量來減少人類醫療副作用,為人類疾病提供更好的治療。