化学调整可以帮助植物更快地从损害中恢复

许多业余园丁可以证明，有些植物再生自身部分的能力相当惊人。切下一段茎并将其放入一杯水中可以长出一株全新的蔬菜。但在微生物学层面，植物学家发现，植物在应对这些切割时，会在两种反应之间做出选择：再生和防御。 《发育细胞》杂志发表的一项新研究探讨了是否可以促使植物进行再生而不是防御，以帮助促进快速生长。

当植物受到某种伤害时，它有许多方法可以利用体内的化学物质来修复或保护自己。但正如这项研究的作者指出的那样，这种反应通常在两者之间摇摆不定。例如，一株植物可以重新长出断肢，也可以通过产生毒素来抵御动物来保护自己。

为了弄清这两种反应是按顺序发生还是防御总是先于再生，研究人员试图操纵植物生物学来朝一个方向发展。通过干预化学反应，他们试图延长拟南芥和玉米专注于再生的时间。

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纽约大学生物学教授、这项研究的作者之一肯尼斯·伯恩鲍姆 (Kenneth Birnbaum) 表示，这项研究始于几个核心问题。植物如何知道自己受伤了？哪些早期步骤将损伤与再生联系起来？为了解答这些问题，他的团队专注于植物的 DNA 本身，以观察它在受伤后的最初几个小时内是如何变化的。

通过重点研究双子叶植物（一种像拟南芥一样有两个茎的植物品种）和单子叶植物（一种像玉米一样只有一个茎的植物品种），生物学家能够为这两种主要植物类型提供结果。研究人员从拟南芥开始，这是一种固体再生植物，也是微生物学家常用的实验室工具（它是有史以来第一个对整个基因组进行测序的植物）。比利时根特大学植物生物技术教授 Lieven De Veylder 表示，它还具有细长、透明、间隔开的根，这使得分析更加容易，但他没有参与这项研究。

伯恩鲍姆发现，植物的谷氨酸受体样蛋白开始增强防御机制，就像它们准备战斗一样。这些分子类似于人类大脑中的谷氨酸受体，可以感知氨基酸，用于新陈代谢和其他目的。当植物受伤时，它们还会为植物的防御系统提供动力。

植物中的谷氨酸受体样蛋白通过向细胞注入钙离子来发挥作用，当细胞的防御被细菌或真菌等病原体突破时，钙离子会告诉这些小机器迅速采取行动。虽然研究人员最初认为钙离子是细胞开始再生的信号，但他们发现，细胞实际上是被要求增强防御能力。

Birnabaum 表示，他们之前认为这两种反应是密不可分的。但通过在本研究中操纵受体，他们发现植物实际上可以分离它们的反应。

为了验证这一点，作者通过两种不同的过程激活了受体。一种方法是使用马里兰大学的 José Feijó 一直在研究的基因操纵受体。研究人员将普通植物的损伤反应与四种谷氨酸受体样蛋白基因被修改以抑制其反应的样本进行了比较。结果，“四重突变”植物表现出再生能力的提高。

但伯恩鲍姆表示，研究基因突变会带来一系列未知数。因此，为了证实他们的发现，该团队使用了一种改编自人类神经生物学研究的化学疗法来抑制植物受体的反应。

Birnbaum 发现，通过化学方法阻止受体释放钙离子，他们能够在短时间内减少防御反应并增加再生反应。在拟南芥和玉米中，再生时间增加了一倍。再生的成功是通过诸如再生根或再生干细胞结构（称为愈伤组织）的能力等测试来衡量的。

但最大的测试是看看受体的抑制是否对单子叶植物和双子叶植物都有效。“令我们惊讶的是，在很多方面，它们在两个分支中都同样有效，”伯恩鲍姆说。对他来说，这意味着防御信号在各种植物中都以相同的方式起作用。

他指出：“这有点像看到人类和鸟类之间保留的某种东西。”

理论上，提高再生能力可用于提高基本农作物对气候变化的适应力。由于玉米或糖等大部分农作物已经进行了基因改造，因此这只是改变它们以使其更耐寒的另一种方式，伯恩鲍姆说。

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问题在于，玉米和高粱等一些最重要的作物再生能力相对较差。增加这些植物的再生时间可以让它们在遭受更多损害时更好地再生。

德维尔德指出，有许多可能的原因，包括细胞组成的差异，都可能导致玉米更难再生。与树木相比，他说，许多物种在受伤后无法再生。但如果这种情况得以改变，人类可能会获得许多好处：增加生物多样性、增加收成、减少粮食不安全，甚至提高碳捕获效率。

但德维尔德也警告不要操之过急，尤其是在将这些发现推广到其他类型的作物方面。“大多数人只是试图了解创新所需的要素，”他说。“我认为现在还为时过早。人们首先希望在进入作物领域之前拥有工具箱。”