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“植物的网络安全”可以阻止细菌攻击我们的食品供应

植物养活我们。没有他们,我们就完了。经过几千年选择性育种的基因改良,人类培育出了维持我们生存的作物。我们有大粒的谷物,丰满的水果和营养、无毒的蔬菜。这些形式永远不会在自然界中发现,而是由人类培育,以保持我们的健康和快乐。

不幸的是,微生物发现我们的食物植物和我们一样美味。这些植物病原体引起的疾病改变了世界历史,至今仍影响着我们。

这些病原体是植物黑客。就像电脑黑客一样,他们是专门的渗透者,擅长隐身和中断。这些方法也是如此:关闭防御并访问目标的资源。一旦它们进入,植物病原体就会吃它们可以疯狂地繁殖。计算机黑客渴望财富或信息,但植物黑客是我们的食物之后。取决于25%的农作物在进入市场之前就已经被疾病夺去了生命。

左边,玉米和它的野生祖先<em>大刍草</em>显示了如何通过选择性育种改变植物以适应人类的需要。在右边,感染麦角病的玉米表明我们并不是唯一以作物为生的人。

左边是玉米和它的野生祖先墨西哥类蜀黍展示了如何通过选择性育种改变植物以适应人类的需要。在右边,感染麦角病的玉米表明我们并不是唯一以作物为生的人。图片来源:妮可·雷杰·富勒,NSF(左);
Gailhampshire(右)

卵菌在攻击

最臭名昭着和狡猾的植物黑客是卵菌纲。的爱尔兰马铃薯饥荒是由卵菌引起的疫霉在希腊语中是“植物破坏者”的意思。这场生物灾难导致数百万人移民到美国,而且改变两国直到永远。即使在今天,卵菌和其他植物病原体仍然是一个障碍全球粮食安全,导致营养不良每年造成数十亿美元的损失

卵菌是进化的奇怪产物。它们看起来和行为都像真菌;因此它们的希腊名字是“虫卵”。直到基因测序的出现,研究人员才正确地将卵菌确定为藻类的近亲,不是真菌。卵菌最初是一个微小的孢子,在未被发现的情况下渗透到植物的叶子或根部。一旦进入,它们就会与宿主植物的细胞建立一种反常的联系。黑客们可以随意进入并捣毁任何他们想要的东西——从关闭核电站的安全系统到闯入植物的营养库。

进化给卵菌提供了大量的毒素和蛋白质聚集在植物免疫系统的中心禁用它。如果他们认识到oomycete的化学品或黑客毒素,植物可以反对这些攻击。但是检测很困难和稍纵即逝。oomycetes黑客有基因组成用于进化。代谢和生长突变的核心基因并以正常的速度变化。然而,毒素的基因以及控制感染的基因被定位成重新排列,组合或在单一一代后关闭或关闭。这些新的形式如此之快地发展,使得它们绕过慢改变的植物免疫系统。这 ”双速基因组这就意味着卵菌在植物免疫检测中总是占上风。当农民每年使用基因相同的作物,卵菌不要花很长时间进化周围的植物防御。

那么研究人员和种植者如何阻止植物黑客并帮助作物呢?尽管成本很高缺点,农药一直是一个重要的工具控制植物病害。

蓝色显示的是感染植物根细胞的真菌病原体。

蓝色的斑点表明是真菌
感染植物根细胞的病原体。信贷:约翰病

农民试图使用最低有效量的杀菌剂,这有助于降低卵菌产生耐药性的机会。例如,葫芦霜霉病预报服务在格鲁吉亚,将疾病报告与天气预报结合起来,预测疾病可能的传播路径。这使得种植者可以通过坚持高风险时期来减少喷药。

但如果有其他武器来对付这些植物黑客,那就太好了。

摆脱可利用的漏洞

麦克道尔实验室我在弗吉尼亚理工大学研究,我们在寻找对抗卵菌疾病的新方法。

计算机黑客依靠在代码中利用缺陷来访问系统并采取他们想要的东西。Oomycetes以同样的方式工作,使用他们的主人达到他们的目的。例如,植物病害激活天然植物泵为它们的生长提供糖。一些卵菌纲失去了能力来产生关键的营养物质,这意味着它们依赖植物宿主来为它们提供营养。如果没有植物宿主的敏感性,病菌就会在植物生病前饿死。

我和我的同事在模型植物中研究卵菌病拟南芥,通常被称为thale水芹。这种杂草只在实验室里生长,但就像人类的实验室老鼠一样,它提供了一种工具,让我们了解我们的田地、果园和花园里发生了什么。

我们关注植物和病原体之间的关系,寻找卵菌利用宿主的其他方式。如果我们能识别出植物细胞的致病机制,我们就能培育或改造植物来改变、关闭或消除这些弱点。

我们测试了通过基因控制关闭与养分吸收、运输、储存和调节相关的单个基因的植物。我们感染这些转基因植物,寻找任何比它们正常亲戚更有抗性的植物。

拟南芥幼苗在卵菌感染前后。右边的侵染植株上的白毛是产生孢子的生殖结构;这种枕头状的外观给这种病菌起了个名字——霜霉病。

拟南芥幼苗前后
卵菌感染。白发苍苍
右边受感染的植物是
产孢生殖结构;
枕头外观给了病原体
它的名字叫霜霉病。信贷:约翰病

通常去除基因对植物有害,并且疾病也受到影响。但偶尔我们发现一个测试厂,尽管它不活泼的基因,但确实很好 - 并且易受这种疾病的影响。潜在地,那些植物缺乏关键成分,病原体需要生存和生长。找到那些易感性基因,并关闭植物防御中的可利用漏洞是我的目标。

展望未来,研究有希望减少植物疾病的影响。像电脑一样,没有一个植物防御系统是完美的。然而,如果漏洞能够被堵上,黑客们将更难获取他们想要的东西。育种和基因工程都为填补这些漏洞提供了途径,这些漏洞可能也存在于受植物入侵影响最大的蔬菜作物中。

即使地球上每个人都有足够的食物,a不断增长的人口, 增加对肉的需求和更多的需求新鲜农产品需要种植更多的粮食。这既可以来自更多的农田,也可以来自更高效的农场。策略使用有限的农药与那些对病原体更有抵抗力的植物一起使用可以让我们的农场更多产。

约翰·赫利希(John Herlihy)是弗吉尼亚理工大学植物与环境科学学院的博士生谈话

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