番茄混合化学鸡尾酒‘早期发现粮食作物的抗病性’

青枯病严重危害了世界各地的粮食作物。它摧毁了主要作物，如西红柿、土豆、香蕉、生姜和胡椒。它发生在许多国家，危害200多种植物。

多年来，致病细菌一直在土壤、种子和植物材料中游荡。它也能感染水和农业设备。

植物育种者和农民希望尽快知道品种对细菌的抗性。但到目前为止，他们必须种植，然后等待成熟的植物在田间观察抗性。

现在，研究表明农民和植物育种者可以大大节省时间和降低风险。一种新的方法有望比以前更早地预测品种的抗性。

研究人员现在可以分析品种在苗期的抗性，以应对各种威胁。他们使用植物代谢组学和统计建模来解码植物的化学防御。

结合遗传方法，这种方法将有助于识别依赖于几个基因的抗性，这是植物育种中的一个长期挑战。

农民的困境

“当农民购买种子时，他们需要考虑植物生存的威胁。一个农场可能会有干旱和高温。约翰内斯堡大学植物代谢组学研究中心主任Ian Dubery教授说，例如，如果土壤已经被青枯菌感染并枯萎，农民有两种选择。

“首先，不要种植受到青枯病侵袭的作物。第二，选择抗药性强的植物品种。如果出现干旱、高温和青枯病，农民们希望有一种能充分抵御这三种威胁的品种。”

在全基因组DNA测序时代，这似乎很简单。分析品种的所有基因，针对某个特定农场的威胁，选择基因合适的基因。但是植物的抵抗力可能不是这样的。对于威胁来说，一个基因就能开启或关闭抵抗力。另一方面，可能涉及几个基因。

“很难看出哪些品种抗青枯病。对青枯菌的抗性是一个多基因特性，它依赖于许多基因，这些基因还不太清楚。了解科学是如何运作的需要时间，”杜伯瑞补充道。

依靠植物的外表也可能具有欺骗性。当一株植物年轻时，可以说这个品种不能抵抗威胁——它很容易受到威胁。但杜伯瑞说，淘汰感病品种并不能让你发展出抗病品种。在植物免疫中，敏感性和抗性可能会受到环境因素的严重影响。

在目前的情况下，农民有死在受感染土壤中的危险。成熟植物的抗性也低于预期。植物育种者有时间改良不适合农业的品种。

化学番茄防御

为了这篇研究文章，荣誉学生Dylan Zeiss研究了四种番茄品种。该品种在商业农业中对青枯病具有中度至高度抗性。

他从每一种健康的植物上取了一些叶子、茎和根，然后捣碎。然后他分析了这些混合物中的化学物质，这些化学物质可以保护自己。

“植物可以抵御威胁，如细菌、病毒或环境压力。但与动物不同，它们没有循环免疫细胞来支持获得性免疫，”蔡司说。

“植物利用基因编码的先天抵抗力。他们还合成各种抗菌化学物质来对抗威胁。对于每一种威胁，植物需要配制不同的化学鸡尾酒。所需的鸡尾酒可能会有所不同，取决于地点、天气和其他压力，”他说。

蔡斯分析了番茄品种中的41种化学物质，这些化学物质被称为次生代谢物。他使用了液相色谱和高清晰质谱。这表明哪些栽培品种生产和代谢多。

然后研究人员通过统计引擎对原始数据进行多元分析。

比单纯的遗传要好。

植物会“注意”环境中攻击它们的东西。一些品种更好地同时注意到几种威胁，并产生保护自己所需的所有化学物质。

如果一个品种对威胁的抵抗力更强，它就会产生更多需要的化学物质。这些化学物质在分析中显示出很强的峰。如果这个品种对这种威胁没有太大的抵抗力，它要么不制造化学物质，要么产量就低得多。

研究人员比较了该品种“鸡尾酒”的化学成分，并将其与该品种对青枯病的已知抗性相关联。在这个过程中，他们发现了番茄抗枯萎病的“代谢指纹”。

“原则上，我们可以将这种方法用于任何植物-病原体的相互作用。品种可能的抗性可以在苗期预测，”杜伯瑞说。

“如果一个品种具有抵抗威胁的遗传能力，它就会合成化学物质来保护自己。通过这种方式，我们可以更好地“看到”植物的抗性，而不仅仅是看着它们。

“我们可以在幼苗只有几周大的时候就这样做，而不是等待几个月来看看成熟的植物是否有抵抗力，”他说。

Dubery说，未来植物育种者可以通过代谢组学与基因技术相结合，选择更耐热、抗旱、抗细菌和病毒的粮食作物品种。

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