几十年来,科学家们都知道植物可以释放挥发性有机化合物——基本上是空气中的化学信号——来召唤吃掉它们的生物(比如毛毛虫)的天敌。但他们不知道的是,植物究竟如何将“被吃”这一物理行为转化为特定的、召唤捕食者的求救信号。现在,经过多年在实验室和墨西哥瓦哈卡农田中对普通豆类植物的实验,由华盛顿大学生物学家亚当·斯坦布伦纳领导的团队确定了一个单一的免疫受体,它负责协调抗毛毛虫防御系统。
当毛毛虫等植食性昆虫取食植物时,它会将唾液直接注入植物受损的组织中。这种唾液含有称为HAMPs(植食性相关分子模式)的生物线索。其中一种HAMPs分子是一种称为inceptin的肽,而inceptin中有一个11个氨基酸的片段,名为In11。两者实际上都是叶绿体中ATP合酶的一个片段——基本上是植物自身蛋白质的一部分。当毛毛虫吞食叶子时,其肠道酶会分解植物的细胞引擎,包括In11在内的碎片会被反刍回叶子表面,尽管浓度极低。
经过数百万年,像普通豆类这样的植物进化出了一种专门的细胞表面受体,称为inceptin受体,专门用于检测In11。当该受体与In11相互作用时,会在植物细胞中引发信号级联反应,启动免疫反应。然而,证明这个特定受体负责释放召唤捕食者的信号是非常棘手的。“我们很兴奋去做这件事,但我们需要完美的对比植物——缺乏受体的植物与拥有完整受体的植物,”斯坦布伦纳说。
问题是普通豆类植物以难以进行基因改造而闻名,因此像基因沉默这样的现代技术无法使用。选择更容易改造的植物也不行,因为该受体只存在于某些豆类物种中。为了解决这个问题,他的团队不得不通过传统方式——选择性育种——来引入所需的修改。第一步是找到一种具有沉默In11受体的普通豆类植物。他们筛选了大量中美洲豆类,寻找那些在暴露于In11时未能产生乙烯气体(一种典型的植物应激指标)的品种。在测试的89个品种中,他们发现有两个完全忽略了该肽。在这两个中,他们选择了一个名为W6 13807的洪都拉斯品系。
当研究人员对这种不敏感豆类的基因组进行测序时,他们发现编码inceptin受体的基因存在一个天然的103碱基对缺失。这种突变删除了受体的一个关键部分,导致产生截短、无功能的蛋白质。为了测试这种功能失调的受体对植物防御的影响,研究团队开始为实验培育植物。通过一系列在突变体和标准In11响应性豆类变种之间的遗传杂交和回交,他们创造了近乎基因相同的姊妹植物,唯一的区别在于功能性inceptin受体的有无。“我们只是当育种者,这花了好几年,”斯坦布伦纳回忆道。
当这两个姊妹植物在实验室和田间并排摆放时,拥有破损inceptin警报的后果对豆类植物来说相当严重。首先,研究人员检查了直接防御——植物为使其叶子对毛毛虫不那么可口并阻碍其生长而进行的化学和物理变化。当毛毛虫取食具有失活inceptin受体的突变豆类时,它们简直是狂欢。在五天的取食期内,它们的生长速度比在功能性受体植物上高出70%以上。