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植物的化学语言取决于背景

导读 来自德国耶拿马克斯普朗克化学生态研究所的一组科学家研究了野生烟草(Nicotiana attenuata)烟草中芳樟醇(一种天然丰富的挥发性有机化合物)
2019-07-02 18:03:35

来自德国耶拿马克斯普朗克化学生态研究所的一组科学家研究了野生烟草(Nicotiana attenuata)烟草中芳樟醇(一种天然丰富的挥发性有机化合物)的生态功能。他们发现负责芳樟醇合成和释放的基因在同一物种的植物中有很大差异。烟草hawkmoth的女性(Manduca sexta)喜欢在具有较高天然芳樟醇的植物上产卵。与此同时,一种植物释放的芳樟醇越多,鸡蛋和新孵出的幼虫就越多地被虫子捕食。在日益复杂的环境中进行的行为测定表明,芳樟醇的作用变化很大,取决于植物的自然环境和基因组成。该研究发表在“美国国家科学院院刊”上。

烟草植物,烟草天蛾和捕食性昆虫之间的相互作用

植物已经进化出多种策略来保护自己免受食草动物的侵害,尤其是昆虫。除了机械防御,如荆棘和刺,植物还产生化学防御化合物,使昆虫和其他食草动物在海湾。这些物质包括挥发性有机化合物,通常仅在昆虫发作后由植物产生。芳樟醇是这种植物挥发性有机化合物;它介导与昆虫的不同生态相互作用。

其复杂的行动方式已成为以往调查的主题。众所周知,烟草中的芳樟醇可以吸引捕食性的Geocoris虫,向它们展示它们的猎物:烟草或新鲜孵化的烟草天蛾幼虫。然而,作为花香味成分,芳樟醇对成年天蛾也具有吸引力,并影响交配的雌蛾决定在植物上产卵。由Meredith Schuman和Ian Baldwin领导的马克斯普朗克化学生态研究所的科学家小组现在更详细地研究了野生烟草属植物中单萜芳樟醇的生态功能。

芳樟醇合成的遗传分析

研究人员观察了Geocoris早期的Manduca sexta卵率之间的相关性虫子和各种植物产生的芳樟醇的量。他们没有观察到烟草植物排放的五种类似有机化合物与鸡蛋捕食率之间存在这种相关性。这表明芳樟醇实际上起着植物的化学呼救作用,并吸引攻击食草幼虫的捕食性昆虫。“烟草植物的芳樟醇排放量差异很大。如果芳樟醇主要具有防御效果,即吸引捕食者和驱逐天蛾,我们预计变异会更少。显然,芳樟醇排放并不总是对植物有利。因此,我们他希望系统地探索哪种生态相互作用是由芳樟醇生产的差异造成的,“该研究的第一作者君鹤解释说。

科学家们能够确定调节烟草中芳樟醇合成的酶并确定其遗传基础。为了实现这一目标,他们从亚利桑那州的原生种群中采集了植物,这些植物的芳樟醇产量很高,而来自犹他州的植物生产的芳樟醇含量相当低。这种被称为前向遗传学的方法允许鉴定芳樟醇合成的天然变异的基因。

镜像分子的图像及其不同的效果

芳樟醇以两种不同的形式存在,即所谓的对映体。两种对映体,(R) - (α) - 芳樟醇和(S) - (+) - 芳樟醇几乎相同,但是,它们的三维结构是彼此的镜像。虽然在犹他州和亚利桑那州的天然烟草属植物群中仅发现(S) - (+) - 芳樟醇,但研究人员还在其实验中使用植物产生其镜像,(R) - (?) - 芳樟醇。两种对映体被天蛾认为是两种不同的化合物,对它们的行为产生不同的影响。

科学家用烟草天蛾测试了这些植物在行为测定中的作用。他们观察了在风洞中选择测定中暴露于两种不同实验植物的交配雌性的行为,以回答芳樟醇混合物如何影响产卵的问题。令人惊讶的是,产蛋只受到两种芳樟醇对映体的操作生产的部分影响。事实上,植物的遗传背景,即犹他州或亚利桑那州的植物是否经过修改以生产更多芳樟醇,对飞蛾的喜好产生了更大的影响。“我们惊讶的是,实验环境比两种不同的对映体更重要,”设计风洞实验的Richard Fandino解释道。研究人员在产卵室和一个大型实验帐篷中进行了进一步的实验,研究了飞蛾和不同的烟草植物,飞蛾能够飞来飞去。然而,飞蛾对芳樟醇排放反应的差异消失了,环境变得越复杂。

上下文中信号的含义

语境是一个语言术语。它指出了单词或词汇可能具有不同含义的问题,这取决于使用它们的通信情况。对于“化学词汇”组件,芳樟醇也是如此。最初,该研究的作者预计化合物会引发某种行为。“然而,我们的研究表明,在选择饲料或排卵的地方时,飞蛾会注意植物的许多不同特征。然后,它们整合这些信息以便在可用的植物中进行选择。因此,其他植物性质的差异以及替代植物的可用性及其特征可能决定了任何个体提示的重要性:在这种情况下,芳樟醇,“该出版物的主要作者之一Meredith Schuman总结道。

更好地了解针对食草动物的适合背景的植物防御可能有助于克服标准化工业化农业中的问题,例如对常用农药的抗性的演变。

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