雜草經(jīng)常在脆弱的作物幼苗的同時出現(xiàn)，并隨著作物的生長而在植物之間潛行。農(nóng)民如何在不傷害農(nóng)作物的情況下殺死他們?在一項新研究中，研究人員確定了導致谷物高粱安全功效的基因和代謝途徑。雜草經(jīng)常在脆弱的作物幼苗的同時出現(xiàn)，并隨著作物的生長而在植物之間潛行。農(nóng)民如何在不傷害農(nóng)作物的情況下殺死他們?

種子和化學公司開發(fā)了兩種主要技術，以避免土壤和葉面施用除草劑對作物造成傷害：轉(zhuǎn)基因抗除草劑作物;和安全劑，選擇性地 - 和神秘地 - 保護某些作物免受損害的化學品。在伊利諾伊大學的一項新研究中，研究人員確定了導致谷物高粱安全功效的基因和代謝途徑。

這一發(fā)現(xiàn)在解釋安全人員如何運作方面發(fā)揮了很大作用。根據(jù)我在U of I作物科學系的雜草科學家Dean Riechers和植物科學前沿研究的合著者，科學家偶然發(fā)現(xiàn)了20世紀40年代后期的安全劑。在實驗期間，溫室生長的番茄植物無意中暴露于合成植物激素。西紅柿沒有暴露于激素本身的癥狀，但是當一種除草劑被噴灑后，它們沒有受到傷害。在沒有完全理解它們是如何起作用的情況下，研究人員在1971年將第一種玉米安全劑(二氯甲烷)商業(yè)化之前就開始嘗試尋找更多的“除草劑解毒劑”。

今天，經(jīng)過近50年的玉米，大米，小麥和谷物高粱的商業(yè)化使用，安全劑仍然是一個謎。Riechers表示，選擇性保護高價值谷物作物而非闊葉作物或雜草的合成化學品的存在令人著迷，但并不具有直觀意義。弄清楚谷物作物中保護機制如何開啟，有朝一日可以幫助科學家在大豆和棉花等闊葉作物中發(fā)揮保護作用。

Riechers說：“找到一種適合雙子葉作物的安全劑將是圣杯。”

然而，第一步是了解谷物作物接觸安全劑時細胞內(nèi)部會發(fā)生什么。在以前的谷物高粱試驗中，研究小組發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GSTs)的產(chǎn)量大幅增加。存在于所有生物體內(nèi)的這些重要的酶在除草劑和其他外來化學物質(zhì)可能造成損害之前迅速解毒。但這并沒有大大縮小干草堆的范圍。

“這些谷類作物有多達100個GST，我們不知道是否有一個或多個提供保護作用，”Riechers說。“我們也無法分辨為什么GST會增加。”

該團隊使用了一種稱為全基因組關聯(lián)研究的方法。他們在溫室中種植了761粒高粱近交系，比較了僅用安全劑，僅用除草劑或安全劑和除草劑處理的植物。通過搜索基因組的差異，他們發(fā)現(xiàn)了在安全劑處理的植物中開啟的特定基因和基因區(qū)域。毫不奇怪，它們是編碼兩個GST的基因。

“盡管我們懷疑GST參與其中，但這種技術似乎確定了負責安全高粱，SbGSTF1和第二個串聯(lián)GST基因的基因，”Riechers說。

除了找到解毒的關鍵基因外，研究人員還分析了安全劑處理過的植物中表達的RNA分子，并揭示了植物防御途徑的雙重作用。

根據(jù)Riechers和合著者帕特里克·布朗的說法，高粱因產(chǎn)生針對昆蟲和病原體的化感物質(zhì)或化學防御而聞名。其中之一，dhurrin，是一種具有氰化物基團的化學物質(zhì)。當它受到攻擊時，高粱釋放出“氰化物炸彈”，殺死昆蟲或病原體。事實證明，涉及dhurrin合成和代謝的一些基因也是響應安全劑而觸發(fā)的。

“與dhurrin的這種聯(lián)系是一種線索 - 也許安全者正在利用植物已經(jīng)用來保護自身的化學防御途徑，”Riechers說。“這是一個以前從未在高粱中提出過的新概念。它讓我們了解為什么安全劑可能會在植物中引發(fā)這種反應。”

根據(jù)Riechers的說法，使用安全劑打開防御和保護通道的能力可以有各種各樣的應用。他說：“似乎沒有合理的除草劑專用途徑。”“也許安全人員可以用來保護作物免受昆蟲食草動物，化學污染物或環(huán)境壓力的影響。這種可能性和應用非常有希望。”

研究人員有計劃和資金將實驗擴展到小麥，并最終希望找到更精確的安全劑 - 除草劑 - 作物組合，最終可轉(zhuǎn)化為闊葉作物。