研究人员发现番茄遗传学中的平行宇宙

在《科学进展》杂志上发表的一篇论文中，密歇根州立大学的研究人员解开了一个令人惊讶的遗传谜团，该谜团的核心是在园丁所谓的“番茄焦油”中发现的糖。

任何徒手修剪番茄植物的人都可能发现他们的手指被一种粘稠的金黑色物质变黑，这种物质很难洗掉。这种番茄焦油之所以粘是有充分理由的。它是由糖(准确地说是酰基糖)制成的，可以充当潜在害虫的天然捕蝇纸。

这项新研究的负责人、密歇根州立大学研究员罗伯特·拉斯特说：“植物已经进化出许多令人惊奇的毒物和其他生物活性化合物。”

最后一个实验室专门研究酰基糖以及产生和储存它们的微小毛发状结构，即毛状体。曾经被认为只存在于毛状体中的酰糖，其他研究人员最近报告在番茄根中也发现了酰糖。这对植物科学界来说是一个惊喜。

在他们的研究中，密歇根州立大学的研究小组想要了解这些根酰基糖如何发挥作用以及它们来自哪里。他们发现，番茄植株不仅在其根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车的两种不同型号，但从不交互。

这些发现正在帮助科学家更好地了解茄科植物的恢复能力和进化故事，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。它们还可以帮助研究人员将植物产生的分子开发成化合物来帮助人类。

“从药品、杀虫剂到防晒霜，人类适应不同用途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。

根和芽

除了生长所必需的关键化学物质外，植物还产生大量化合物，这些化合物在环境相互作用中发挥着至关重要的作用。它们可以吸引有用的传粉媒介，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RachelKerwin说。

“以酰糖为例。你不会发现它们是在番茄植物的叶子或茎中产生的。这些物理粘性防御代谢物是在毛状体的尖端产生的。”

当有报道称番茄根中也存在酰基糖时，克尔文认为这是对老式基因侦探工作的呼吁。

“这些酰基糖在根中的存在令人着迷，并引发了很多问题。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?”

为了解决这个进化之谜，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。地上和地下酰糖的基本化学组成明显不同，以至于它们可以完全定义为不同类别的酰糖。

打破汽车

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，试图通过一次损坏一个部件来弄清楚汽车的工作原理，”他说。“如果你压平汽车的轮胎并发现发动机仍在运转，即使你不知道轮胎到底有什么作用，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最后一个实验室为进一步破解根酰糖的密码而完成的工作。

通过查看公开的基因序列数据，科尔文注意到番茄毛状酰糖生产中表达的许多基因在根中都有近亲。在确定了一种被认为是根酰糖生物合成第一步的酶后，研究人员开始“打破常规”。

当他们敲除根酰基糖候选基因时，根酰基糖的产生消失，毛状体酰基糖的产生未受影响。与此同时，当经过充分研究的毛状体酰糖基因被敲除时，根酰糖的生产照常进行。

这些发现为可疑的代谢镜像提供了惊人的证据。

“除了我们多年来研究的地上酰基糖途径之外，我们在这里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共存了两种途径，”克尔温补充道。

为了实现这一突破，博士后研究员、最新论文的第二作者JayneeHart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，她发现根酶和根酰基糖之间也存在有希望的联系。

哈特解释说：“研究分离的酶是确定其活性并得出其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单一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，你会意识到使它们发挥作用的众多部件和连接。这项工作为我们提供了关于番茄植物中其中一个部件的新知识，并进一步提示研究它的进化和功能，以及我们是否可以以其他方式利用它，”美国国家科学基金会项目主任PankajJaiswal说。

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

簇内簇

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意想不到的转折。BGC是在染色体上物理分组的基因的集合，并有助于特定的代谢途径。

此前，Last实验室发现了一个BGC，其中含有与番茄植株中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表达的酰糖酶位于同一簇中。

Kerwin说：“通常在BGC中，这些基因在相同的组织和相似的条件下共表达。”

“但在这里，我们有两组独立但相互关联的基因。一些在毛状体中表达，一些在根中表达。”

这一发现促使克尔文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何时以及如何发展。

具体来说，研究人员提请注意大约1900万年前的一个时刻，当时负责毛酰糖的酶被复制。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“最后”实验室继续解开茄属植物家族的进化和代谢秘密铺平了道路。

“与茄科植物的合作提供了如此多的科学资源，以及强大的研究人员群体，”克尔温说。“由于它们作为农作物和园艺的重要性，这些植物几千年来一直受到人类的关注。”

对于Last来说，这些突破也提醒人们天然农药的重要性，而酰基糖等防御代谢物最终代表了天然农药。

“如果我们发现这些根酰基糖能有效驱除有害生物，是否可以将它们培育成其他茄属植物，从而帮助植物生长，而不需要有害的合成杀菌剂和杀虫剂?”最后问了。

“这些是人类追求更纯净的水、更安全的食品和减少对有害合成化学品的依赖的核心问题。”