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在化学物质造成伤害之前对其进行解毒,天然植物防御基因为谷物高粱的安全保护提供线索

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除草剂在农业种植过程中使用非常普遍,它们减少土地中的杂草,帮助作物从土壤中获取更多的营养。很多种植户为了追求高效常常不规范的使用化学除草剂,久而久之对环境、土壤甚至作物都产生了一定的危害。近日,美国科学家团队在真菌基因组中发现一种天然除草剂的新作用机理。

杂草经常在脆弱的作物幼苗的同时出现,并随着作物的生长而在植物之间潜行。农民如何在不伤害农作物的情况下杀死他们?

玉米天然耐受某些除草剂,在化学物质造成伤害之前对其进行解毒。它允许农民用称为HPPD抑制剂的除草剂喷洒田地,这些除草剂会杀死水草和苋菜等杂草并使玉米毫发无损。但是在越来越多的领域,这种方法失败了;waterhemp并没有死亡。

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科学家在真菌基因中发现天然除草剂的“配方”

种子和化学公司开发了两种主要技术,以避免土壤和叶面施用除草剂对作物造成伤害:转基因抗除草剂作物;和安全剂,选择性地

科学家研究了waterhemp对两种常见的HPPD抑制性除草剂,甲基磺草酮(商品名Callisto)和tembotrione(Laudis)的反应,并发现杂草使用与玉米相同的细胞机制来解毒化学品。然而,没有人研究过waterhemp对第三种抑制HPPD的除草剂topramezone(Impact或Armezon)的代谢反应,它与甲基磺草酮和tembotrione处于不同的化学亚类中,但同样广泛用于玉米中。

英国《自然》杂志11日在线发表的生物技术文章称,美国科学家团队通过发掘真菌基因组,找到了一种天然除草剂的新作用机理。面对世界范围内除草剂抗性日益加重,这一发现或能为急需新配方的除草剂“军团”增添“新兵”。

  • 和神秘地 - 保护某些作物免受损害的化学品。在伊利诺伊大学的一项新研究中,研究人员确定了导致谷物高粱安全功效的基因和代谢途径。

伊利诺伊大学的一项新研究确定了两个中西部waterhemp种群的解毒途径,这些途径在快速代谢topramezone中发挥作用。不幸的是,这一发现对玉米种植者来说并不是个好消息。

当前,使用化学除草剂已成为农业防除杂草最主要的手段。但随着除草剂大量频繁使用,抗性杂草以惊人的速度蔓延开来,并始终伴随着全球农业的发展。鉴于此,科学家们一直希望能发掘到全新配方的除草剂。

这一发现在解释安全人员如何运作方面发挥了很大作用。根据我在U of I作物科学系的杂草科学家Dean Riechers和植物科学前沿研究的合着者,科学家偶然发现了20世纪40年代后期的安全剂。在实验期间,温室生长的番茄植物无意中暴露于合成植物激素。西红柿没有暴露于激素本身的症状,但是当一种除草剂被喷洒后,它们没有受到伤害。在没有完全理解它们如何起作用的情况下,研究人员在1971年将第一种玉米安全剂(二氯甲烷)商业化之前,开始尝试寻找更多的除草剂解毒剂。

我们最初的理论认为,waterhemp会像其他两种HPPD抑制剂那样模仿玉米,但是,不,它发现了一种不同的方式,我和U公司作物科学系的杂草科学家Dean Riechers说。 -植物科学前沿研究。我们不知道如何或为什么,但它与玉米天然具有不同的机制。最重要的是,你不能使用三种HPPD抑制剂中的任何一种来控制这种群体。

在本研究中,加州大学洛杉矶分校科学家团队查找了丝状真菌的基因组,发现其中很多能产生帮助定殖、杀死植物的化合物,使其成为一种有效的除草剂潜在来源。考虑到代谢酶二羟酸脱水酶是植物生长所必需的生物合成途径的最后一步,研究人员特地寻找靶向DHAD的化合物。由于这一途径在动物中并不存在,便成了除草剂研发中最常见的靶标。不过,此前从未研发出作用于植物的天然DHAD抑制剂。

今天,经过近50年的玉米,大米,小麦和谷物高粱的商业化使用,安全剂仍然是一个谜。Riechers表示,选择性保护高价值谷物作物而非阔叶作物或杂草的合成化学品的存在令人着迷,但并不具有直观意义。弄清楚谷物作物中的保护机制如何开启,有朝一日可以帮助科学家在大豆和棉花等阔叶作物中发挥保护作用。

Riechers指出的waterhemp种群来自伊利诺伊州麦克莱恩县的一个田地。在过去的十年中,连续种子玉米的田地已经用所有三种HPPD抑制剂处理,并且水井显示出对它们的抗性。Riechers和他的合着者在温室中种植来自该种群的种子,并用所有三种除草剂喷洒植物以评估损害程度。与两种对化学品敏感的种群相比,麦克莱恩县的水井植物看起来很棒。

研究团队通过为真菌生存提供自身抗性的额外DHAD基因序列,寻找编码DHAD抑制剂的生物合成基因簇。经过考察常见的土壤霉菌土曲霉(Aspergillus terreus)等各种真菌,研究人员发现有一种基因簇可以编码酶,这些酶能产生已知的真菌产物——“aspterric酸”。研究人员还发现,“aspterric酸”正是DHAD的抑制剂,经测试证实作为喷雾式除草剂效果良好。

Riechers说:找到一种适合双子叶作物的安全剂将是圣杯。

研究人员还从内布拉斯加州的一块水生植物中长大,这些植物只用甲基磺草酮和tembotrione处理过。尽管从未暴露于topramezone,植物似乎具有抗性。他们看起来不像麦克莱恩县人口,但他们看起来比敏感人群好多了。

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科学家在真菌基因中发现天然除草剂的“配方”

然而,第一步是了解谷物作物接触安全剂时细胞内部会发生什么。在以前的谷物高粱试验中,研究小组发现谷胱甘肽S-转移酶(GSTs)的产量大幅增加。存在于所有生物体内的这些重要的酶在除草剂和其他外来化学物质可能造成损害之前迅速解毒。但这并没有大大缩小干草堆的范围。

Riechers说:温室实验表明,内布拉斯加州的人群确实对它从未接触过的除草剂产生过抗性。其他两种除草剂是否选择了topramezone抗性?先正达的同事和我都这么认为。我们的长期目标是找出每种除草剂是否有自己的抗性基因,或者是否存在其中一种或哪种基因可以选择的基因。

此外,研究团队证实,他们发现的这种自身抗性基因并不会受到“aspterric酸”的影响;把抗性基因转移到植物中后,植物也会对新型除草剂产生抗性。因此,这些发现不但有助于解决杂草除草剂抗性日益加大的问题,同时也证明了抗性基因导向的方法,可用于发现更有效的、具有生物活性的天然产品。

这些谷类作物有多达100个GST,我们不知道是否有一个或多个提供保护作用,Riechers说。我们也无法分辨为什么GST会增加。

研究小组利用切除叶片检测方法开发出能够识别除草剂解毒酶的研究,发现麦克莱恩县的植物使用的途径与玉米不同,可以解毒topramezone。Riechers说这一发现在科学上很有意思,但对玉米行业来说可能是一个难以接受的药丸。

拓展知识:农业是人类赖以生存的基础,但随着农业的发展,农药化肥等物质所带来的环境污染问题也日益严重,反而对人类生存造成了一定的影响。在科技不断进步的同时,广大科学家也在致力寻找更绿色环保的种植方式。希望广大种植户,在生产作业中规范使用农药化肥,不要一昧的追求效益,忽略了可持续发展的重要性。

该团队使用了一种称为全基因组关联研究的方法。他们在温室中种植了761粒高粱近交系,比较了仅用安全剂,仅用除草剂或安全剂和除草剂处理的植物。通过搜索基因组的差异,他们发现了在安全剂处理的植物中开启的特定基因和基因区域。毫不奇怪,它们是编码两个GST的基因。

这是可怕的,因为这些水井种群找到了代谢这些化合物的方法,因此它使化学杂草控制变得更加困难,他说。现在,你可以将这三种HPPD抑制剂中的任何一种喷洒在玉米上,而不是杀死玉米,但可能会杀死杂草。但如果杂草使用不同的机制对化学品进行解毒,你就必须开发出不同的化合物。一种不使用这些相同代谢途径的除草剂。它可能对杂草有效,但是谁知道玉米是否会耐受它。

尽管我们怀疑GST参与其中,但这种技术似乎确定了负责安全高粱,SbGSTF1以及第二个串联GST基因的基因,Riechers说。

化学公司可以利用发现研究中的信息开发新产品,但农民可能无法等待。与此同时,Riechers指出了我同事们在罐装混合多种除草剂作用点或使用Harrington Seed Destructor作为非化学方法来限制抗性的工作。

除了找到解毒的关键基因外,研究人员还分析了安全剂处理过的植物中表达的RNA分子,并揭示了植物防御途径的双重作用。

我们越来越多地了解这些waterhemp人群可以为排毒做些什么,而且令人沮丧。我们的研究强调了采取替代措施来限制这些抗性植物的传播或防止它们发生的重要性。第一名,他说。

根据Riechers和合着者帕特里克布朗的说法,高粱因产生针对昆虫和病原体的化感物质或化学防御而闻名。其中之一,dhurrin,是一种具有氰化物基团的化学物质。当它受到攻击时,高粱释放出氰化物炸弹,杀死昆虫或病原体。事实证明,涉及dhurrin合成和代谢的一些基因也是响应安全剂而触发的。

与dhurrin的这种联系是一种线索 - 也许安全者正在利用植物已经用来保护自身的化学防御途径,Riechers说。这是一个以前从未在高粱中提出过的新概念。它让我们了解为什么安全剂可能会在植物中引发这种反应。

根据Riechers的说法,使用安全剂打开防御和保护通道的能力可以有各种各样的应用。他说:似乎没有合理的除草剂专用途径。也许安全人员可以用来保护作物免受昆虫食草动物,化学污染物或环境压力的影响。可能性和应用非常有希望。

研究人员有计划和资金将实验扩展到小麦,并最终希望找到更精确的安全剂 - 除草剂 - 作物组合,最终可转化为阔叶作物。

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