植物会有时差反应吗?

美国科学家已经解开了传递瘙痒感觉的神经信号系统的一个关键部分，为开发更有效的治疗湿疹和其他瘙痒疾病的方法铺平了道路。人们已经知道，皮肤上有一些神经细胞可以独特地发出瘙痒的信号，但这些神经细胞无法从供应体表的无数其他神经元中识别出来。现在，马里兰州贝塞斯达国家牙科和颅面研究所的Santosh Mishra和Mark Hoon在《科学》杂志上发表了一篇文章，他们找到了一种方法来挑选这些细胞，他们已经确定了它们用来向大脑发送瘙痒信号的神经递质化学物质。科学家们通过研究供应皮肤的神经细胞中常规开启的基因取得了突破。他们注意到，一小部分能够感知疼痛和温度刺激的神经也只表达一种名为Nppb(利钠多肽b)的基因。敲除这种基因后，小鼠对疼痛和温度有正常反应，但不会发痒。Nppb信号通常会激活脊髓内的第二组神经细胞，然后这些脊髓神经元利用第二种神经化学物质将信号传递给大脑，这种化学物质被称为GRP(胃泌素释放肽)。现在，这一途径已经被理解，Nppb被确定为发出瘙痒警报的关键化学物质链中的第一种，它为开发选择性阻断慢性瘙痒的新疗法打开了大门。

在短短30年的时间里，蟑螂已经进化出了探测和避开通常用来对付它们的陷阱的能力!自20世纪80年代以来，控制蟑螂的主要方法是将含有杀虫剂的葡萄糖诱饵浸渍在粘性表面上。这些爱吃甜食的虫子会爬到里面，尽情享受一顿有毒的大餐，在这个过程中很快就被困住了。但现在，许多被称为“葡萄糖厌恶者”的昆虫主动避开了这些陷阱，这是因为它们的味觉检测系统中有一个开关，把葡萄糖从一种享受变成了一种威慑。北卡罗莱纳州立大学的科学家Coby Schal和他的同事在《科学》杂志上发表文章，记录了当蟑螂接触到不同的味道时，新的葡萄糖厌恶蟑螂和传统的非葡萄糖厌恶蟑螂的味蕾产生的电信号。蟑螂至少有四种不同类型的味蕾，被称为味觉受体神经元(grn)。在正常的“老派”蟑螂中，GRN1识别甜味，当葡萄糖或果糖出现时，它会发射一连串的电尖峰。另一方面，GRN2对咖啡因的苦味有反应，这是蟑螂所避免的。但是，在新的不喜欢葡萄糖的昆虫中，葡萄糖对检测甜味的GRN1的刺激很差，但却引发了通常对苦味有反应的GRN2的一系列活动。另一方面，正如预期的那样，果糖只触发了GRN1。 This shows that the animals have modified their taste receptor system so that they now register glucose as a bitter taste that they want to avoid. To find out how widespread this finding is, the researchers collected 19 wild-caught specimens from the field and tested them. Seven of them showed this altered behaviour. The team argue that the change has occurred through the strong selective pressure applied by the widespread use of glucose-baited cockroach traps. Insects with this adaptation would avoid the traps and live to breed another day, progressivly enriching the trait in the population...

本周，来自德国和英国的研究人员发现了导致19世纪中期爱尔兰马铃薯饥荒的病原体，这场饥荒导致100万人死亡^th世纪。索菲·卡蒙是诺维奇塞恩斯伯里实验室的负责人，这项工作就是在那里进行的。

索菲-我们知道病原体打来过电话5种。一种类似真菌的生物，是19世纪造成巨大破坏的马铃薯枯萎病的病原体^th引发了爱尔兰马铃薯饥荒。我们不知道的是当时是哪种菌株引起了这种疾病。所以，我们所做的就是回到博物馆的植物标本室标本，从标本中提取DNA，我们能够使用最新的DNA技术对病原体的基因组进行测序，并确定了导致疾病的菌株^th世纪。

克里斯:我很好奇，人们保存着150多年前受感染植物的叶子标本。

索菲:我知道。这些博物馆里有很多有趣的宝藏。有数以百万计的植物标本，我们保存在博物馆里，研究这些标本通常是通过观察花朵和叶子的形态等来识别物种。但在这种情况下，我们可以做一些很酷的事情来观察这些叶子中生物体的基因组成。

克里斯:所以，你把一些叶子的样本磨碎，提取遗传物质，其中包括土豆的遗传物质和杀死这种植物的枯萎病的遗传物质。

索菲亚:对，没错。所以，我们把叶子切成小块，我们就能同时分析植物和病原体，在这种情况下，在这项研究中，我们专注于病原体，这是有趣的部分。

但是正如你所说，人们已经知道这是一种四处游荡的真菌造成的。那么，在这里需要回答的最大问题是什么，你的研究人员让我们填补了一个混合的空白?

索菲:首先，你知道这不是真菌。这是一种类似真菌的生物，所以我纠正了你。很抱歉，但这是一种不同类型的微生物，但它看起来确实像真菌。所以人们通常把它称为真菌。这种病原体有许多菌株。我们发现这是一种新的菌株，我们称之为HERB-1，它导致了19年的枯萎病^th世纪，这个菌株显然已经消失了。它已经不在了。

克里斯-你认为这是为什么?是不是因为它非常擅长破坏马铃薯植物，所以人们停止种植易受感染的物种，从而耗尽了可感染的植物?

索菲:不，我们不这么认为。可能发生的事情是，随着马铃薯育种在20世纪20年代开始并起飞^th世纪，科学家们开始通过将它们与马铃薯的野生衍生物杂交来培育更好的马铃薯，可能草本植物-1与其他品种相比处于劣势。我们知道在20年代^th世纪，HERB-1被另一种我们称为US-1的菌株所取代，然后在20世纪后期^th世纪，US-1被其他菌株所取代。

克里斯:那么，在这种模式下，你的植物对其中一种生物很敏感，这种生物在这些植物中变得更成功，然后植物发生了变化，或者出现了更有抵抗力的新植物，所以，病原体发生了变化，我们看到的是一场军备竞赛。

索菲:这当然是原因之一，但事实上，这种病原体的神奇之处在于5种马铃薯枯萎病病原体的适应性。它非常善于适应育种者正在释放的新的抗性品种。

克里斯-它是怎么做到的?是什么让它如此成功?

索菲:嗯，这实际上是我们在过去几年里一直在描述的工作，我们发现这种病原体有一个惊人的基因组。事实上，我们把这个基因组描述为双速基因组。它由两种不同的车厢组成。一个隔间里有管家基因，关键基因，病原体必须是微生物。第二组隔室包含所有对病原体感染植物很重要的有毒基因第二组隔室的进化和变化比缓慢进化的内务隔室要快得多。

克里斯-你知道为什么基因组的这些片段变化如此之快而基因组的其他部分却没有吗?生物体是如何做到的呢?

索菲:我希望我知道。这是我们正在研究的一个非常有趣的话题。

克里斯:因为类似的故事也发生在香蕉身上，不是吗?我们知道香蕉是克隆植物，所以它们的基因都是一样的。所以，只需要一种真菌有机体出现，这种真菌有机体非常善于利用这些植物中的一种，然后突然之间，所有这种特定类型的香蕉植物都将容易受到影响，因为它们都是克隆的。

索菲:这是一个有趣的观点。这是现代农业学家的问题之一，以香蕉为例，单一栽培是最极端的例子，因为我们吃的所有香蕉都有完全相同的基因组成。所以，这使得这些植物非常容易受到病原体的影响，尤其是那些非常善于适应和进化的病原体，以及对付这些作物的病原体。所以，作为植物育种家和植物生物技术专家，我们面临的真正挑战是，我们如何产生足够的变异，足够的新品种来真正跟上这种快速进化的病原体?

那么，为什么爱尔兰马铃薯枯萎病会发生呢?我们知道是什么导致了这场完美风暴，为什么它现在没有发生吗?

索菲亚:你的问题有两个方面。首先，我们必须记住，在19世纪40年代，这种疾病对欧洲来说是新的。所以，三个世纪以来，马铃薯在欧洲种植，不知何故，病原体从未进入欧洲大陆。所以，在这种情况下，它基本上是一种新的病原体被引入到一个以前从未见过它的地区。这和我们今天看到的白蜡树枯梢真菌类似，例如最近在英国出现的白蜡树枯梢真菌，基本上感染了所有易感树木。这就是当时发生的事情。它并不需要特别具有攻击性的病原体。马铃薯易受感染，病原体像野火一样迅速蔓延。

Chris -可以说，与19世纪50年代爱尔兰发生这种情况时相比，现在有更多的土豆属于这一阵营。那么，为什么现在这种情况没有更频繁地发生呢?

索菲:现在真的发生了。马铃薯枯萎病目前仍是一种非常重要的病害。马铃薯作物是世界上第三重要的粮食作物，据估计，目前因枯萎病而损失的马铃薯足以养活数千万人。所以，这仍然是一个重要的问题。现在不同的是，我们可以通过农业实践和使用化学品，偶尔使用一些抗性品种来控制它。所以，这种疾病无处不在。它还没有消失。

我们人类有生物钟或昼夜节律来控制我们什么时候醒来，我们什么时候睡觉，甚至我们有多饿。这就是为什么我们在出国时屈服于时差反应。但植物也有影响其生长方式和营养运输方式的日常节律。为了弄清楚这些是如何工作的，凯特·兰布尔(Kate Lamble)与剑桥大学植物科学系的亚历克斯·韦伯(Alex Webb)进行了交谈，她首先询问了昼夜节律到底是什么

亚历克斯:它是指任何具有24小时周期并且可以在恒定条件下持续的生物节律。我们最熟悉的是睡眠-觉醒周期。

凯特-所以，对我来说，它改变了我清醒的程度和清醒的时间。在植物中有什么变化?

亚历克斯:嗯，它几乎控制着植物生物学的每一个方面。我很想告诉大家的一个事实是植物的生长周期是24小时。所以，就像你和我一样，植物在夜晚结束时生长得最快。它调节光合作用，调节植物体内的水通量，调节植物感知环境的能力，所以植物在白天比在晚上对寒冷信号更敏感，以及植物生物学的各个方面。

凯特:当我意识到周围有多少光线时，我可以看到这种环境刺激，植物是如何识别环境时间信号来告诉它们何时是白天，何时是夜晚的?

亚历克斯:你问了一个很难的问题。我们知道它们同时测量温度和光。我们知道它们测量温度和光的节奏，植物用一系列我们称为光感受器的蛋白质来测量光。有一个子集是红色的，一个子集是蓝色的，我们知道它们与设置时钟有关。例如，每天早上，时钟通过蓝色和红色的信号重新调整。但实际上，这是如何发生的，我们不知道。当谈到植物的温度感知时，我们知道它们可以测量温度。它们可以精确地测量温度，但我们对其工作原理知之甚少。我们知道他们实际上可以将温度测量结合到调整时钟中。

凯特:我的昼夜节律是由大脑控制的，那么植物的昼夜节律是由什么控制的呢?

亚历克斯:嗯，这是个有趣的想法。你的昼夜节律是由你的大脑控制的还是你的大脑中有一个昼夜节律控制着你所有人?

凯特:这是一个非常有趣的问题。

亚历克斯:我想这可能是第二个原因。像我们这样的哺乳动物的工作原理是，大脑中有一组神经，大约2万个神经，它们形成了一个定时机制，它们有24小时的节律性活动，然后通过激素传递给生物体的其他部分。植物是一个更分散的系统，所以事实上，每个细胞都有一个时钟，这个时钟是由一套基因组成的，它们有节奏地相互开关，有点像老式手表的时钟工作。所以，所有的细胞都有一个时钟，我们现在感兴趣的事情之一，我想很多植物生物学家都对这个感兴趣，这些时钟是否在细胞内相互交流，它们之间是否有协调，或者每个细胞都在做自己的事情，但这一切都是同时发生的。

凯特:我之所以要问这个问题，是因为为了能够重置生物钟，这些细胞中的每一个都与我们之前讨论过的感知光和温度的传感器进行通信吗?

Alex -至少在叶子细胞中，每个细胞都有自己的光传感器。所以，这些蛋白质存在于所有的叶细胞中。根更有趣，现在有很多人感兴趣因为根在黑暗中生长格拉斯哥的实验室，休·尼莫的实验室做了一些很好的研究似乎确实有一些信号从叶子传到根，影响时钟。这个信号可能就是糖。

凯特:为什么我们认为是糖在不同细胞之间传递这些信号?

亚历克斯:嗯，如果你用药物停止光合作用，那么根部生物钟的功能就会发生变化，所以最有可能的物质是糖。事实上，我的小组也在研究这个问题。

凯特:我想说，你对光合作用与昼夜节律的关系特别感兴趣。为什么会受到昼夜差异的影响呢?

植物收集光能，它们利用叶绿素捕获光能，然后被光能激发的电子被用来从空气中的二氧化碳中制造糖。这是一种难以置信的能量，在植物中流动，如果植物在早上没有准备好制造所有的糖，并使用所有收获的能量，那么这些能量就会消耗掉，去做其他事情。它所做的大部分事情都会对细胞造成相当大的破坏。所以植物需要在黎明时准备好收集所有的光能。因此，生物钟似乎可以调节光合作用。所以，它在白天更活跃。

凯特:如果植物在晚上不进行光合作用，那它们在这段时间里怎么有足够的食物来维持细胞的运转呢?

亚历克斯:它们白天产生的多余的糖被转化为淀粉，然后淀粉在整个晚上被分解，以维持植物的生命。事实上，约翰·英尼斯实验室，艾莉森·史密斯在诺里奇的实验室做了一些很棒的实验表明它们实际上能够预测黎明的时间，利用生物钟，在黎明的时候消耗所有可用的淀粉。如果你人为地将夜晚延长两小时，植物就会开始挨饿，实际上无法生长，因为它们消耗了所有储存的能量。因此，它们实际上会在黎明到来之前，消耗掉晚上储存的所有能量，然后在早上准备进行光合作用。

凯特:如果我们开始了解控制生物钟的基因，我们能否以某种方式将其用于农业?

亚历克斯-是的，我认为我们绝对可以。再说一遍，这是早期。对植物生物钟的深入研究只进行了大约15年。但我们发现的一件事是一些对作物驯化非常重要的基因实际上与生物钟有关。所以，这告诉我们，早期的繁殖者实际上是在不知情的情况下选择改变基因的行为，这些基因构成了生物钟的一部分。现在，我们最不明白的是为什么，但在其他领域，农业利用昼夜节律系统确实有很大的潜力。

例如，植物的生物钟提供适应性，以帮助阻止昆虫取食。所以，如果你拿那些没有正常生物钟的植物来说，它们比那些有正常生物钟的植物更容易受到昆虫的伤害。当然，这是一个很大的进步，从观察到，然后研究我们如何利用观察并应用它。我们怎样才能受益?所以大多数情况下，我们目前似乎能做的就是通过干扰生物钟让植物变得更糟。下一步就是想办法让它们变得更好。

凯特:如果我们想要改变某些植物的生物钟，我们该怎么做呢?这是基因改造的问题，把我们知道的好的昼夜节律控制基因放进去吗?

亚历克斯:这是一种方法。有证据表明，孟山都公司有一种大豆产量增加了5%这对农业来说是一个巨大的增长这是通过对一种与生物钟密切相关的基因的基因操纵。

我们实验室使用的另一种方法是寻找影响生物钟的化学物质我们已经确定了一种可以改变生物钟速度的化学物质我们对找出它是如何起作用的很感兴趣。实际上，我们有一些假设，但我们不知道为什么这种化学物质会改变时钟的速度。有趣的是，我们发现的这种化学物质在不同王国的生物钟中有着完全相同的作用。它实际上使生物钟运行得更慢，在植物中也是如此，一年后，我们发现它在老鼠身上也有完全相同的效果。关于它是如何工作的有很多假设，但到目前为止，我们还不知道。

众所周知，一些植物依靠丛林大火使种子发芽提醒一下，但是怎么提醒呢?西澳大利亚大学的Gavin Flematti研究了这个问题，他向Chris解释了他是如何发现烟雾中的化学物质的。

加文:多年来人们都知道，在一片土地上发生的火灾，一旦火灾发生，下一场雨就会到来，当地物种就会突然恢复生长。南非的一些研究人员发现，烟雾中的化学物质实际上是造成这种效果的原因。所以，我加入了这个行列，我们试着找出造成这种效应的实际化合物是什么。

克里斯:所以，当你说烟雾中有什么东西使这一切发生时，并不是说你把所有的东西都烧掉了，竞争对手下降了，一些种子碰巧在燃烧中幸存下来，它们生长了。实际上，有一个活跃的过程会触发种子生长，但只有在周围有烟雾的情况下。

加文-对，没错。南非的研究人员，约翰内斯·德·兰格，他试图让这种只有在火灾后才会出现的物种发芽，他想尽了一切办法让它发芽，但它就是不发芽。然后，他在那里抽了一小块地大约12个月后回来，你看，这些物种发芽了。所以，他发现烟雾中确实有某种东西导致了这种效果。

克里斯:那么，你是如何解决这个问题的?你采取了什么方法来试图弄清楚发生了什么?

基本上，我是说，Johannes de Lange发现如果你把烟泡在水里，你就会得到一种叫做烟水的产品它在种子上也很活跃。我们从这个开始。然后我们将其与有机溶剂混合，试着将化合物从溶液中提取出来，然后就是大量的色谱。所以，我们用了很多方法来尝试分离化合物直到我们能够把它固定在一个特定的化合物上。

克里斯:所以，你种植的种子依赖于这种烟雾来生长，然后将它们与不同比例的从水中冒出来的东西混合。所以，你把所有不同的化学物质分开，直到你得到一种起作用的化学物质。

加文-是的，我的意思是，烟雾中含有4000种化合物，这是一项艰巨的任务。这是多个步骤。基本上，我们只是试着简化混合物就像你说的，取很多分数，用特定的物种测试它们。实际上，我们使用的是一种特殊的生菜，它在光照下发芽良好，但在黑暗中，只有30%或40%的发芽率。但如果你给它烟雾化合物，它就会恢复到100%。我们使用这种方法的原因是，结果的转变速度很快，只需要2天，而有些本土公司则需要6周。

克里斯:是什么化学物质造成的?

加文-我们发现了一种化合物。它属于一种叫做丁烯内酯的化合物我们给它取了个很普通的名字叫丁烯内酯。

克里斯-它是怎么工作的?

加文:嗯，这是个很好的问题。我们还在努力解决这个问题。我们现在正在与西澳大学的分子生物学家和遗传学家合作，他们正在努力剖析与它相互作用的关键蛋白质。我的意思是，他们看待这个问题的一种方式是他们正在创造对化合物没有反应的突变植物。所以，我们用的这种特别的植物拟南芥就像植物世界的小白鼠，我们很幸运，它对我们的化合物有反应。因此，他们现在所做的就是改变植物，使它们没有反应，然后我们要寻找缺失的关键蛋白质。这是一种很简洁的方法。

克里斯:为什么这种化学物质特别适合做触发植物发芽的工作?因为如果烟雾中有4000种化学物质，就像你说的，为什么植物会选择那一种呢?

加文-我们不确定。我的意思是，它在结构上与其他植物生长促进剂有一些相似之处，但我们还没有破解它的实际工作原理。

Chris:除了在学术上很有趣之外，我还想知道是什么引发了物质的燃烧。这有什么用吗?你能用它来维持、支持或触发增长或保护工作吗?

加文:是的，我们目前的目标是找到一种可以在现场使用的配方。目前，当我们把它作为一种合成材料喷洒在地面上时，它似乎没有我们在一个地区吸烟时产生的效果，这有很多原因。它可能容易氧化，它似乎有一些紫外线不稳定性。但是当它出现在烟雾混合物中时，还有其他化合物起到防晒剂或抗氧化剂的作用，帮助稳定它。所以，这是我们目前大项目的一部分。它试图解决，我们如何稳定它，制定它，使其有效。