Science:有毒植物如何保护自己不被毒死？鞘脂代谢 不毒植自

邓文龙

有毒植物如何保护自己不被毒死？

烟草:1.二萜类毒-鞘脂代谢  2.尼古丁毒-毒动物神经，不毒植自

科研圈

2021/01/25



野生烟草叶片上的烟草天蛾幼虫。图片来源：Anna Schroll



（领研网导读 阿金）许多植物拥有特异代谢功能来抵御食草动物。本研究发现，在野生烟草植物Nicotiana attenuata中，沉默两种涉及二萜类生物合成的细胞色素蛋白P450s，会引发植物严重的自毒症状。二萜类化合物通过抑制食草动物体内鞘脂类生物合成，保护植物，但植物会改变自身的代谢过程，防止自毒作用。该结果表明植物通过使用有效的化学手段解决了植物防御和有毒物质储存问题。


来源 马克斯·普朗克化学生态研究所

翻译 阿金

审校 戚译引



植物会制造有毒物质，保护自己不被食草动物吃掉。在一项新研究中，德国马克斯·普朗克化学生态研究所（Max Planck Institute for Chemical Ecology）和明斯特大学（University of Munster）的科学家详细描述了一类重要防御性物质的生物合成和确切的作用方式。这类物质名为二萜糖苷（diterpene glycoside），存在于野生烟草植物中，能保护植物不落入食草动物口中。而该研究表明，这类植物化学成分会攻击细胞膜的特定部分。烟草植物为了保护自己的细胞膜，避免自身被有毒物质毒害，往往以非常特殊的方式合成没有毒性的二萜糖苷，将其储存在细胞中。自毒作用（autotoxicity）和防止自毒在植物防御演化过程中发挥的作用似乎要比先前研究认为的更加重要。



许多植物会制造化学防御性物质，保护自己不被吃掉。然而，目前并不清楚具体什么使这些物质能毒害吃它的动物。该研究团队长期关注植物如何制造毒素，以及如何将毒素储存在自己的组织内，同时又不伤害自身。他们尤其想知道，自毒作用和防御自毒作用的机制是否和制造抗食草动物的毒素特征机制相一致。



自毒和防御



在实验中，科学家选择了来自野生烟草（Nicotiana attenuate）的二萜糖苷。“这些毒性物质在烟草植株叶片中的浓度非常高。但我们却不知道它们的防御效果为什么如此出众，以及植物为什么能够制造出毒性这么强的物质。这种情况非常不同于同类植物中大量存在的另一种毒性物质，就是尼古丁（nicotine）。尼古丁是一种特异性神经毒素。因为植物缺乏神经和肌肉，没有靶点让尼古丁下手，所以在体内制造并储存大量尼古丁完全不会伤害植物本身。”马普所分子生态学专家 Ian Baldwin 这样解释道。



研究人员改造了实验用的烟草植物，让它们无法制造参与生物合成二萜糖苷的两种蛋白质，因此也无法形成大量储存于叶片中的防御性物质，结果出人意料，他们发现植物反而表现出明显的自毒症状：发生病变，无法正常生长，而且再也无法繁殖。进一步的实验分析揭示了原因：细胞膜中的一类特定成分——鞘脂类（sphingolipids）遭到了攻击。



靶向细胞膜



所有动物和植物体内都存在鞘脂类物质，包括野生烟草的天敌——烟草天蛾（Manduca sexta）的幼虫。因此，研究人员追问，鞘脂类代谢是否就是二萜糖苷攻击的目标。事实上，与吃了包含二萜糖苷的植物的烟草天蛾幼虫对照组相比，用不含这种防御性化学物质的植物喂养的幼虫长得要好得多。随后，研究人员分析幼虫了消化含有二萜糖苷食物后排出的粪便。消化毒素的降解过程正好与植物合成毒素的过程完全相反，因此分析结果给研究人员提供了进一步思路。植物为了防止自毒作用，在内部会储存该防御性物质的无毒形式。然而，当昆虫吃下植物，其中的无毒分子就会被降解，而有毒的化学物质便因此激活，或者说“武装起来”。“有意思的是，在两种情况下，无论是植物包含不完全合成的二萜糖苷，还是喂养天蛾幼虫有毒植物，毒素的靶点始终是鞘脂类代谢。”该研究论文的第一作者 Jiancai Li 说道。



鞘脂类是许多生理过程的介导因子。因此，二萜糖苷对鞘脂类代谢的影响激起了研究人员的兴趣。“二萜糖苷及其衍生物对许多农业害虫和病原体真菌发挥广泛的防御功能。与此同时，许多人类疾病，比如糖尿病、癌症和一些神经退行性疾病，也和鞘脂类代谢的提升相关。”研究资深作者之一、蒙斯特大学演化和生物多样性研究所的 Shuqing Xu 说。医学专家们一直寻找治疗这些疾病的有效物质，抑制鞘脂类代谢，而新研究的实验对象——二萜糖苷则有潜力成为深入调查的候选物质。



“粪便代谢组学”，研究生物体之间相互作用的强大新工具



分析幼虫粪证明是该研究成功的关键。研究人员将这一新方法命名为“粪便代谢组学（frassomics）”：结合粪便代谢组学，分析生物体内的所有代谢物质。Ian Baldwin 说：“通过这项研究，我们意识到粪便代谢组学能够成为一种非常强大的研究工具。分析幼虫粪便给我们提供了代谢线索，了解了某一生物体制造的物质被另一生物体吞食后的代谢方式。”



接下来，科学家们计划进一步调查植物和昆虫之间的“消化二重奏”，从而更好地理解植物、昆虫和微生物三者之间的生态互作。



来源链接：

https://eurekalert.org/pub_releases/2021-01/mpif-hpp010721.php

https://science.sciencemag.org/content/371/6526/255

https://www.linkresearcher.com/t ... 7-87dd-3561738bdb6b



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