一片粉紫色的獨腳金屬植物（Striga），原本可以形成非常迷人的花海。但了解這種寄生植物的農民卻把它稱作“攝魂的雜草（witchweed）”：它會吸取稻谷、玉米、谷子、高粱等谷類作物的“元氣”，它的根莖還在土壤表層之下，就已經(jīng)奪去了谷類作物的生命。
盡管寄生植物有成千上萬個物種，但那些潛入農田破壞作物的寄生植物卻給全球糧食安全帶來了極大的隱憂，特別是在缺乏先進除草劑等控制方法的發(fā)展中國家。單是在非洲，僅僅是黃獨腳金（Striga hermonthica）一個品種，每年都會造成相當于100億美元的作物損失。
很多作物研發(fā)者正在試圖鑒別并培育出抗獨腳金的品種，但研究進展相當緩慢。農民們迫切需要更為直接的應對策略。如今，科學家的一大新突破可能為這個令人頭疼的問題奉上了新的解決方法。
“攝魂雜草”的邪惡魔法
今年，在《科學》雜志相繼發(fā)布的三篇文章中，科研人員逐漸破解了這種“攝魂雜草”施展邪惡魔法的方式。他們發(fā)現(xiàn)，獨腳金種子如何通過嗅到微量的分子信號來尋找新的寄主，以及獨腳金是如何進化出這種極度敏銳的感知能力。
“這些論文顯然代表著一大突破。”以色列Newe Ya'ar研究中心的植物學家Daniel Joel表示。由于最近科研人員在獨腳金屬研究上的進展，“讓解決或改善這一問題的可能性”大幅增加，美國弗吉尼亞大學植物遺傳學家Michael Timko補充道。
據(jù)了解，這種“攝魂雜草”很可能是在非洲作為高粱作物的寄生植物演化而來。如今，在30種獨腳金屬植物中，約有80%生長于非洲，特別是在土地貧瘠的半干旱熱帶地區(qū)。獨腳金屬植物的噩夢也籠罩著亞洲的大部分地區(qū)，但卻鮮見于歐洲、美國和中國。
獨腳金屬寄生植物的“獵食史”聽起來的確有些令人毛骨悚然。
每株獨腳金可以生產(chǎn)出10萬顆種子，這些十分微小的種子可能會在土壤中潛伏數(shù)十年，直到感知到真正的寄主出現(xiàn)，才開始蘇醒。
然后，這些種子會發(fā)芽生根，用自己的根部刺穿宿主的根部，開始吮吸營養(yǎng)。及至寄生植物破土而出，綻放花朵時，宿主作物早已元氣大傷。其他幾種植物寄生物也展示出這種離奇而可怕的寄生能力。
極度敏銳的感知能力
20世紀50年代，美國南、北卡羅來納州的獨腳金蔓延成災，美國政府不得不使用乙烯等化學藥品進行造價高昂的根除計劃。隨之而來的一系列研究顯示，獨腳金種子在感知到棉花植物釋放的一種類似激素的化合物——獨腳金醇（strigol）時，就會促使種子生根發(fā)芽。自那以后，植物學家鑒別出超過16種來自于不同寄主植物的類似的誘發(fā)化合物——獨腳金內酯（strigolactones）。
當然，這些寄主植物所釋放的誘發(fā)化合物，并不是為了吸引獨腳金。近期的研究顯示，這種化合物有兩種基本功能：刺激土壤真菌“菌根”的增長，形成真菌與植物根的共生關系，用土壤養(yǎng)分交換碳和氮；第二種功能是作為激素信號刺激植物本身的增長。
獨腳金半路劫走獨腳金內酯為己用。但是，植物釋放到土壤中的這種信號的濃度非常低，獨腳金是如何感知到這些分子的呢？這讓科研人員非常困惑。
數(shù)據(jù)顯示，這種信號在土壤中的濃度可能達到皮摩爾級，因此，獨腳金用于檢測獨腳金內酯的傳感分子（或受體），必然比寄主植物本身的受體對這些信號的敏感程度，要高出幾個數(shù)量級。
然而，人們卻很難對這種“攝魂雜草”進行研究，因為它難以在實驗室中得到很好的生長，而且人們并不知道如何控制這種寄生植物的基因來檢測它的功能。在美國等國家，獨腳金已經(jīng)被列為有害雜草，這更讓用于研究的種植培育難過審批關。此外，對于獨腳金的研究經(jīng)費和激勵機制并不多，因為這主要是貧困國家所面臨的問題。
“與獨腳金所波及的范圍相比，對這個問題的認識程度非常低，甚至在植物學家之間亦是如此。”日本名古屋大學植物學家Yuichiro Tsuchiya表示。
不過，當人們發(fā)現(xiàn)獨腳金內酯也是一種植物激素時，反而從側面刺激了獨腳金的研究，讓更多的科研人員加入到這種信號分子的研究中來。今年，全球第一次就這些化合物的問題召開了國際會議，而且在過去幾十年，這方面的論文由一年僅發(fā)表幾篇增長到每年約100篇，荷蘭瓦格寧根大學研究中心植物生理學家Harro Bouwmeester表示。
Tsuchiya和加拿大多倫多大學的遺傳學家Peter McCourt也加入了這一研究大潮。他們在尋找可以刺激模式植物——擬南芥發(fā)芽的化合物時，發(fā)現(xiàn)了幾個類似于獨腳金內酯的化合物。在了解到獨腳金內酯對獨腳金的作用后，兩位科學家決定要使用擬南芥，探測這種致命雜草如何感知這種信號并對信號作出反應。
在擬南芥中，獨腳金內酯在與受體D14結合時發(fā)生分裂。因此，Tsuchiya的化學同事Shinya Hagihara及其研究生Masahiko Yoshimura合成了一個在分裂時可以發(fā)出熒光的獨腳金內酯，以揭示獨腳金是否使用類似于D14的受體。
當Tsuchiya將獨腳金種子暴露于仿制的獨腳金內酯中時，它們發(fā)出熒光并生根發(fā)芽。他和同事將這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于8月21日的《科學》雜志。“因此，我們現(xiàn)在有了探針能夠告訴我們（獨腳金的）受體何時、在何處會活化。”McCourt表示。
但在當時，這一團隊并不知道促使獨腳金種子萌發(fā)的受體的真實身份。
受體的真實身份
起初，科研人員以為這種受體可能就是D14，但在擬南芥中，這種受體僅控制分枝，而非萌芽——的確，獨腳金體內的D14受體也不控制萌芽。
因此，課題組決定研究擬南芥體內的一組相關受體——HTL（或KAI2），這種受體在遇到類似于獨腳金內酯的化合物時，會使種子發(fā)芽。（森林大火會產(chǎn)生這種化合物，HTL對這種化合物的感知似乎會加速種子在灰燼中生根發(fā)芽。）
獨腳金的基因組中有11個HTL基因，Tsuchiya開始在試管中檢測每個基因的蛋白結合獨腳金內酯的能力。他與McCourt及其博士后Shigeo Toh一起，將每個獨腳金的基因注入到缺少HTL基因的擬南芥中。團隊發(fā)現(xiàn)，獨腳金的其中一個HTL基因促使擬南芥種子在響應獨腳金內酯時開始發(fā)芽。接著，他們展示出，其他大多數(shù)HTL基因也可以做到這一點。
這項成果巧妙地呼應了喬治亞大學分子遺傳學家David Nelson和團隊于7月31日發(fā)表在《科學》上的科研成果。Nelson的團隊也有力地證明了HTL基因對于獨腳金等寄生物的寄主感知具有重要作用。
Nelson和同事“第一次展示了（獨腳金）的獨腳金內酯受體如何進化，來支持檢測寄主的功能”，Tsuchiya表示。綜合數(shù)據(jù)顯示，原始HTL的復制最終產(chǎn)生了兩種獨腳金內酯受體：所有植物都擁有的D14受體，用于后期生長；以及獨腳金等寄生物擁有的、被改變用途的HTL，用于誘發(fā)種子萌芽。
為了研究這種改變用途的受體的敏感度，Toh檢測了擁有相應獨腳金基因的轉基因擬南芥植物。Toh、McCourt 及同事在10月發(fā)表的研究成果中表示，HTL7致使擬南芥對獨腳金內酯的敏感度提升了超過五個數(shù)量級。
他們通過對其中一個獨腳金HTL受體進行結晶，并將它的結構對比擬南芥固有的HTL發(fā)現(xiàn)，寄生物受體結合獨腳金內酯的口袋尺寸是擬南芥的兩倍。尺寸的差別，再加之口袋周圍氨基酸的差異，可能可以解釋寄生物受體為何有如此過人的敏感度，他們評論道。
打響“獨腳金反擊戰(zhàn)”
左手擁有“攝魂雜草”關鍵的獨腳金內酯受體，右手具備研究和精確瞄準受體的最新工具，現(xiàn)如今，植物生物學家對打響“獨腳金的反擊戰(zhàn)”充滿激情。
“這些論文告訴我們應該瞄準哪些目標。”McCourt表示。他設想要改進“自殺發(fā)芽”的策略：在農田尚未種植寄主作物時，就噴灑誘發(fā)獨腳金種子發(fā)芽的化合物，讓獨腳金可以提前死亡。
他表示，探索受體結構以及哪種獨腳金內酯對各種獨腳金最重要的具體細節(jié)，應該會指明新的抗獨腳金武器。而且通過使用轉基因擬南芥，培育者可以檢測出通過基因改造作物釋放不同的獨腳金內酯，是否會阻礙獨腳金的蘇醒。
在不久的將來，科學終將戰(zhàn)勝“攝魂雜草”的魔咒�！�