一部の食虫植物にとって、最大の攻撃は最大の防御となる

一部の食虫植物にとって、最大の攻撃は最大の防御となる

ソークの科学者が植物の食食が防御機構からどのように進化したかの説明に協力

ラホヤ–昆虫を食べる植物はXNUMX世紀以上にわたって生物学者を魅了してきましたが、植物が生きた獲物を捕らえて消費する能力をどのように進化させたのかはほとんど謎のままでした。 今回、ソークの科学者らは、セントルイスのワシントン大学の共同研究者らとともに、植物の食食の分子基盤を調査し、それが植物が身を守るために使用するメカニズムから進化したという証拠を発見した。

この研究は、11 年 2022 月 XNUMX 日に出版されました。 米国科学アカデミー紀要 (PNAS）は、生きた獲物からの接触に反応して、食虫植物の葉の細胞内でカルシウム分子がどのように動的に移動するかを詳しく説明しています。 カルシウムの変動は、おそらく防御ホルモンの産生の増加を通じて、獲物を捕らえるための葉の動きを引き起こします。 この発見により、植物が環境とどのように相互作用するかについて科学者の理解が広がります。

「これらの植物やその他の植物が、その独特の環境にどのように適応してきたのかをもっと知ることができれば、将来的にはこれらの分子経路を変更して、より過酷な条件でも生き残ることができる植物を開発できるかもしれません」と共同上級著者は述べています。教授 ジョアン・チョリー、ソーク植物分子細胞生物学研究所の所長およびハワード・ヒューズ医学研究所の研究者。

生物学者は、スプーン葉モウセンゴケ（サンデュースパチュラタ）おそらく栄養の乏しい条件で生き残るために肉食動物を適応させた可能性があります。 しかし、モウセンゴケは成長するのが難しく、そのDNAは最近まで解読されていなかったため、科学者たちは肉食が細胞レベルでどのように機能するかを調べるのに苦労していました。 また、食虫植物が葉の動きや消化酵素の分泌など、獲物を捕獲することに関連した行動をどのように発達させたのかも不明だった。

「食虫モウセンゴケはモデル生物ではありません」と、論文の共同筆頭著者であり、ソーク大学植物分子細胞生物学研究所のスタッフ科学者であるカール・プロッコ氏は言う。 「これまでに遺伝子組み換えができた研究所は世界中でほんの一握りしかないため、私たちはそれらを詳しく調べるために新しい技術を学ぶ必要がありました。」

この研究では、科学者らは遺伝的ツールを適用して、昆虫の獲物が葉に着地し、粘着性の分泌物によって捕獲されるときの葉の中のカルシウム分子の動的な変化を画像化した。 非食虫植物では、カルシウムシグナル伝達は、ジャスモン酸防御経路を誘発して望ましくない害虫を撃退するなど、生命維持に多くの重要な役割を果たしています。 ジャスモン酸は電気活動にも反応します。電気活動は、モウセンゴケを含む一部の食虫植物にとって獲物を捕獲するための重要な要素です。 科学者らは、非食虫植物と同じ防御経路がモウセンゴケの肉食行動にも必要かどうかを知りたいと考えた。

研究チームは、葉が内側に曲がり、昆虫を消化液に閉じ込める際に、通常ジャスモン酸の標的となる遺伝子の活性化には、植物細胞内のカルシウムの変化が必要であることを発見した。 研究者らはさらに、生きていない獲物を与えたときやカルシウムチャネルがブロックされたとき、モウセンゴケの葉の曲がりが少なくなることを観察した。 これらの発見は、カルシウムが昆虫の獲物捕獲反応を助けることを示しており、他の研究者らの研究と合わせて、ジャスモン酸が昆虫の消化に関与しているという考えを裏付けるものである。

「これらの植物が、接触などの獲物に関連する機械的刺激にどのように反応するのかを見るのは興味深いことでした」と、セントルイスのワシントン大学の共著者で研究科学者のイヴァン・ラディンは言う。 「機械的な力を感知してそれに反応する能力は、特にこの急速なタイムスケールにおいては、ほとんどの人が植物と結びついて考えていないものです。 私たちの作品は、この事実を美しいビジュアルで表現しています。」

「今回の研究結果は、非食虫植物が害虫からの機械的刺激に防御的に反応するのと同じように、カルシウムも関与しており、ジャスモン酸反応を強化する可能性が高いことを示しています」と植物部門のハワード・H・アンド・マリアム・R・ニューマン会長のチョリー氏は言う。生物学。 「これは、モウセンゴケの肉食が進化した防御経路である可能性があるという考えにさらなる信憑性をもたらします。」

次に、研究者らは同様の遺伝的手法を応用して、これまで調査が難しすぎた他の食虫植物を研究する予定だ。 彼らは、獲物捕獲メカニズムの分子基盤をさらに調査して、遠縁種で肉食がどのように進化したかをより深く理解し、作物が困難な環境で生き残るために既存の環境および昆虫の反応経路を適応させることで恩恵を受けることができるかどうかを確認したいと考えています。

他の著者には、ソークのシャーロット・ホウが含まれます。 セントルイスのワシントン大学のライアン・リチャードソン氏とエリザベス・ハズウェル氏も同様だ。

この研究は、国立衛生研究所 (5R35GM122604) およびハワーズ ヒューズ医学研究所-サイモンズ財団教員奨学金 (55108530) によって支援されました。

DOI： 10.1073/プナス