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殺蟲劑遇到營養劑,浙大科研人員發現根與葉“對話”的新機制

發布時間:2021-10-22來源:浙大新聞辦作者:柯溢能0

植物根系會持續不斷地往土壤中分泌初生和次生代謝物,這些分泌物是植物與土壤、動物、微生物等進行信息傳遞和物質交換的重要載體和媒介,是根際和葉際對話的主要驅動因子,在調節植物-生物互作中發揮重要作用。

苯并噁嗪化合物 (benzoxazinoids) 是一類廣泛存在于玉米、小麥等禾本科作物中的次生代謝物,也是該類作物根系分泌物中含量最高的次生代謝物,對多種病蟲害具有廣譜抗性。

日前,浙江大學環境與資源學院徐建明教授團隊聯合國際課題組,深入剖析了土壤中鐵離子調控苯并噁嗪類化合物介導的植物-植食動物互作的內在機理。不僅揭示了土壤類型與植物次生代謝物功能發揮的內在聯系,還率先闡明了土壤因子調控植物次生代謝物功能的內在機理,為我國重要入侵害蟲草地貪夜蛾的消減和阻控提供了新視角。

這一成果以題為“Soil chemistry determines whether defensive plant secondary metabolites promote or suppress herbivore growth”刊登在國際知名期刊《美國科學院院刊》(PNAS),論文第一作者為浙江大學環境與資源學院“百人計劃”研究員胡凌飛,論文通訊作者為徐建明教授與瑞士伯爾尼大學Matthias Erb教授。

草地貪夜蛾是玉米生長過程中的重要害蟲,通過取食葉片導致玉米產量急劇下降。然而物競天擇,為了更好的抵御害蟲的侵擾,玉米體內會合成苯并噁嗪化合物次生代謝產物,作為消滅害蟲的“天然農藥”??茖W家發現“天然農藥”苯并噁嗪化合物在抗擊草地貪夜蛾上并不是屢戰屢勝。橘生淮南則為橘,橘生淮北則為枳,到底是什么讓天然殺蟲劑失去效力呢?

苯并噁嗪化合物不僅會在葉片和根系中合成,還會以根系分泌物的方式釋放到土壤中。為此,徐建明團隊在江蘇宜興8個不同地點采集了2種類型的土壤(人為土和富鐵土)進一步研究土壤類型是否會影響苯并噁嗪化合物對草地貪夜蛾的抗性(圖1)。

圖1 不同類型土壤中苯并噁嗪化合物對草地貪夜蛾生長的調控作用

徐建明團隊研究發現,根系中的苯并噁嗪化合物會與土壤反應,增加植物葉片內鐵的含量。眾所周知,鐵離子是生物生長的必需營養元素,在植物葉綠素等合成中具有重要作用。

徐建明介紹,通過鐵的定量關系實驗發現鐵離子是土壤差異的根本原因?!拔覀儼l現,在根部釋放的苯并噁嗪化合物,會將游離的鐵離子運輸到葉片中”(圖2)。

圖2 鐵離子與苯并噁嗪化合物互作影響植物葉片內鐵穩態

鐵離子能夠增強光合作用,有利于玉米產量的提升??蒲腥藛T發現,由于鐵離子這一營養劑的影響,原本的天然殺蟲劑“失效了”(圖3)。徐建明介紹,這一研究將為農作物生長和作物改良,提供了新的育種視角;對于抗蟲型優良植物育種,提供新的靶標,為未來育種提供新視野 。

這項研究受到國家自然科學基金創新研究群體項目等資助。

圖3 鐵離子與苯并噁嗪化合物互作影響草地貪夜蛾體內鐵的含量

論文鏈接:doi: 10.1073/pnas.2109602118

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