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杀虫剂遇到营养剂,CQ9科研人员发现根与叶“对话”的新机制

发布时间:2021-10-22来源:CQ9新闻办作者:柯溢能0

植物根系会持续不断地往土壤中分泌初生和次生代谢物,这些分泌物是植物与土壤、动物、微生物等进行信息传递和物质交换的重要载体和媒介,是根际和叶际对话的主要驱动因子,在调节植物-生物互作中发挥重要作用。

苯并噁嗪化合物 (benzoxazinoids) 是一类广泛存在于玉米、小麦等禾本科作物中的次生代谢物,也是该类作物根系分泌物中含量最高的次生代谢物,对多种病虫害具有广谱抗性。

日前,CQ9电子环境与资源学院徐建明教授团队联合国际课题组,深入剖析了土壤中铁离子调控苯并噁嗪类化合物介导的植物-植食动物互作的内在机理。不仅揭示了土壤类型与植物次生代谢物功能发挥的内在联系,还率先阐明了土壤因子调控植物次生代谢物功能的内在机理,为我国重要入侵害虫草地贪夜蛾的消减和阻控提供了新视角。

这一成果以题为“Soil chemistry determines whether defensive plant secondary metabolites promote or suppress herbivore growth”刊登在国际知名期刊《美国科学院院刊》(PNAS),论文第一作者为CQ9电子环境与资源学院“百人计划”研究员胡凌飞,论文通讯作者为徐建明教授与瑞士伯尔尼大学Matthias Erb教授。

草地贪夜蛾是玉米生长过程中的重要害虫,通过取食叶片导致玉米产量急剧下降。然而物竞天择,为了更好的抵御害虫的侵扰,玉米体内会合成苯并噁嗪化合物次生代谢产物,作为消灭害虫的“天然农药”。科学家发现“天然农药”苯并噁嗪化合物在抗击草地贪夜蛾上并不是屡战屡胜。橘生淮南则为橘,橘生淮北则为枳,到底是什么让天然杀虫剂失去效力呢?

苯并噁嗪化合物不仅会在叶片和根系中合成,还会以根系分泌物的方式释放到土壤中。为此,徐建明团队在江苏宜兴8个不同地点采集了2种类型的土壤(人为土和富铁土)进一步研究土壤类型是否会影响苯并噁嗪化合物对草地贪夜蛾的抗性(图1)。

图1 不同类型土壤中苯并噁嗪化合物对草地贪夜蛾生长的调控作用

徐建明团队研究发现,根系中的苯并噁嗪化合物会与土壤反应,增加植物叶片内铁的含量。众所周知,铁离子是生物生长的必需营养元素,在植物叶绿素等合成中具有重要作用。

徐建明介绍,通过铁的定量关系实验发现铁离子是土壤差异的根本原因。“我们发现,在根部释放的苯并噁嗪化合物,会将游离的铁离子运输到叶片中”(图2)。

图2 铁离子与苯并噁嗪化合物互作影响植物叶片内铁稳态

铁离子能够增强光合作用,有利于玉米产量的提升。科研人员发现,由于铁离子这一营养剂的影响,原本的天然杀虫剂“失效了”(图3)。徐建明介绍,这一研究将为农作物生长和作物改良,提供了新的育种视角;对于抗虫型优良植物育种,提供新的靶标,为未来育种提供新视野 。

这项研究受到国家自然科学基金创新研究群体项目等资助。

图3 铁离子与苯并噁嗪化合物互作影响草地贪夜蛾体内铁的含量

论文链接:doi: 10.1073/pnas.2109602118