細菌枯萎病嚴(yán)重破壞了世界各地的糧食作物。它摧毀了主要的農(nóng)作物，如西紅柿，土豆，香蕉，生姜和胡椒。它發(fā)生在許多國家，攻擊了200多種植物。導(dǎo)致疾病的細菌多年來一直在土壤，種子和植物材料中徘徊。它也可以感染水和農(nóng)業(yè)設(shè)備。

植物育種者和農(nóng)民想要盡早了解品種對細菌的抗性。但到目前為止，他們不得不種植 - 然后等待成熟植物觀察田間的抗性?，F(xiàn)在，研究顯示了為農(nóng)民和植物育種者節(jié)省時間和降低風(fēng)險的可能方法。一種新方法有望比以前更早地預(yù)測品種抗性。研究人員現(xiàn)在可以分析苗期的品種抗性，以應(yīng)對各種威脅。他們使用植物代謝組學(xué)和統(tǒng)計建模來解碼植物的化學(xué)防御。

結(jié)合遺傳方法，該方法將有助于鑒定依賴于幾個基因的抗性，這是植物育種中長期存在的挑戰(zhàn)。

農(nóng)民的困境

“當(dāng)農(nóng)民購買種子時，他們需要考慮植物必須生存的威脅。例如，一個農(nóng)場可能有干旱和高溫。如果土壤已經(jīng)感染了導(dǎo)致枯萎的青枯雷爾氏菌，那么農(nóng)民有兩種選擇Ian Dubery教授說，他是約翰內(nèi)斯堡大學(xué)植物代謝組學(xué)研究中心主任。

“首先，不要種植受到細菌枯萎病侵襲的作物。第二，選擇更具抗性的植物栽培品種。如果有干旱，高溫和細菌枯萎病，農(nóng)民想要一種對三種威脅都具有足夠抗性的栽培品種。”

在全基因組DNA測序的時代，這可能看起來很簡單。分析品種的所有基因，并選擇具有正確基因的基因用于特定農(nóng)場的威脅。但植物的抗性可能不會那樣。對于一種威脅，單個基因可以打開或關(guān)閉電阻。另一方面，可能涉及幾種基因。

“很難看出哪些品種對青枯病具有抗性。對青枯雷爾氏菌的抗性是一種多基因特性 - 它取決于許多基因 - 而這些尚未被很好地理解。科學(xué)知道它是如何工作的還需要時間，” Dubery。

依賴植物的樣子也具有欺騙性。當(dāng)植物年輕時，可能會說一個品種無法抵御威脅 - 它很容易受到威脅。但Dubery表示，消除易感品種并不能讓你產(chǎn)生抗藥性品種。在植物免疫中，易感性和抗性可能受環(huán)境因素的嚴(yán)重影響。

在目前的情況下，農(nóng)民冒著在受感染的土壤中死亡的風(fēng)險。成熟植物的抗性也低于預(yù)期。植物育種者有時間改善不適合農(nóng)業(yè)的品種。

化學(xué)番茄防御

對于研究文章，然后榮譽學(xué)生Dylan Zeiss研究了四種番茄品種。該品種在商業(yè)農(nóng)業(yè)中對青枯雷爾氏菌具有中等至高的抗性。他從每個品種的健康植物中取出一些葉子，莖和根，并將它們搗碎。然后他分析了這些混合物中的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)可以保護自己。

“植物可以抵抗細菌，病毒或環(huán)境壓力等威脅。但與動物不同，它們沒有循環(huán)免疫細胞來支持獲得性免疫，”蔡司說。“植物利用其基因編碼的先天抗性。它們還合成各種抗微生物化學(xué)物質(zhì)以對抗威脅。對于每種威脅，植物都需要制造不同的化學(xué)品”雞尾酒“。根據(jù)地點，天氣和其他壓力，雞尾酒會有所不同。“

蔡司從番茄品種中分析了41種這些化學(xué)物質(zhì)，稱為次生代謝物。他使用液相色譜和高清質(zhì)譜聯(lián)用。這表明哪種栽培品種代謝產(chǎn)生了多少代謝產(chǎn)物。然后研究人員通過統(tǒng)計引擎運行原始數(shù)據(jù)進行多變量分析。

僅比遺傳學(xué)更好

植物檢測到在其環(huán)境中攻擊它們的是什么。有些品種可以更好地同時檢測到多種威脅，并制作所需的所有化學(xué)品來保護自己。

如果一個品種對威脅具有更強的抵抗力，它將產(chǎn)生更多所需的化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)物質(zhì)在分析中顯示為強峰。如果品種對這種威脅沒有太大的抵抗力，它要么不產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)，要么產(chǎn)生少量的化學(xué)物質(zhì)。

研究人員比較了這些品種'雞尾酒'的化學(xué)成分，并將其與品種對細菌枯萎病的已知抗性相關(guān)聯(lián)。在這個過程中，他們發(fā)現(xiàn)了番茄抗枯萎病的“代謝指紋”。

“原則上，我們可以將這種方法用于任何植物 - 病原體相互作用。在苗期可以預(yù)測品種的可能抗性，”Dubery說。

“如果一個品種具有抵抗威脅的遺傳能力，它將合成化學(xué)物質(zhì)以保護自己。這樣，我們可以'看到'植物抗性比僅僅看它們好得多。

“當(dāng)幼苗只有幾周時，我們可以做到這一點，而不是等待幾個月才能看到成熟的植物是否具有抗性，”他說。

Dubery說，未來，植物育種者可以通過將代謝組學(xué)與基因技術(shù)相結(jié)合，選擇對熱，干旱，細菌和病毒更具抗性的糧食作物品種。