图片:左起:Joanne Chory和Carl procko
一个多世纪以来，以昆虫为食的植物一直吸引着生物学家，但植物是如何进化出捕捉和食用活猎物的能力的，在很大程度上仍然是一个谜。现在，索尔克的科学家们和来自圣路易斯华盛顿大学的合作者们，已经调查了植物肉食的分子基础，并发现了证据，证明它是从植物用来保护自己的机制进化而来的。
这项研究于2022年7月11日发表在pNAS，详细描述了食肉植物叶片细胞内的钙分子如何对活猎物的触摸做出反应。钙的波动导致树叶运动，捕捉猎物，可能是通过增加防御性激素的生产。这些发现扩大了科学家对植物如何与环境相互作用的理解。
“如果我们能更多地了解像这样的植物和其他植物是如何适应它们独特的环境的，那么也许我们可以在未来改变这些分子途径，培育出能够在更恶劣的条件下生存的植物，”合著者Joanne Chory教授说，她是索尔克植物分子和细胞生物学实验室的主任，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。
生物学家已经认识到，像匙叶茅膏菜(Drosera spatulata)可能使食肉动物适应在营养贫乏的条件下生存。然而，毛毡苔的生长很有挑战性，它们的DNA直到最近才被测序，所以科学家很难在细胞水平上研究食肉动物是如何工作的。他们也不确定肉食性植物是如何发展出与猎物捕获相关的行为，如叶片运动和消化酶分泌。
“食肉茅膏菜植物不是模式生物，”卡尔·普罗科(Carl procko)说，他是这篇论文的第一作者之一，也是索尔克植物分子和细胞生物学实验室的工作人员。“世界上只有不到几个实验室以前能够对它们进行基因改造，所以我们必须学习新技术来仔细检查它们。”
在这项研究中，科学家们利用基因工具，对昆虫猎物落在树叶上并被粘滞的分泌物捕获时，树叶中钙分子的动态变化进行了成像。在非肉食性植物中，钙信号在维持生命中起着重要作用，例如触发茉莉酸防御途径以击退有害的害虫。茉莉酸也对电活动作出反应，这是一些食肉植物捕获猎物的一个关键因素，包括毛毡苔。科学家们想知道这种非食肉植物的防御途径是否也需要茅膏菜的食肉行为。
研究小组发现，随着叶片向内弯曲，将昆虫困在消化液中，植物细胞内钙的变化需要茉莉酸靶向基因的激活。研究人员进一步观察到，当给予非活体猎物和钙通道被阻断时，茅菜菜的叶子弯曲得更少。这些发现证明了钙在昆虫捕食反应中起到了辅助作用，并与其他人的工作一起，支持了茉莉酸参与昆虫消化的观点。
圣路易斯华盛顿大学的共同第一作者和研究科学家伊万·拉丁说:“看到这些植物如何对与猎物相关的机械刺激(如触摸)做出反应是很有趣的。”“对机械力的感知和反应能力是大多数人不会与植物联系在一起的，尤其是在这个快速的时间尺度上。我们的工作为这一事实提供了一个美丽的视觉效果。”
植物生物学霍华德·h·和玛丽安·r·纽曼主席乔里说:“研究结果表明，钙也参与其中，并可能增加茉莉酸的反应，类似于非食肉植物对害虫机械刺激的防御性反应。”“这进一步证明了毛毡苔地区的食肉动物可能是一种进化的防御途径。”
接下来，研究人员将应用类似的基因技术来研究其他食肉植物，以前这些植物很难检测。他们希望进一步研究猎物捕获机制的分子基础，以更好地理解食肉动物在远亲物种中是如何进化的，并看看作物是否能从适应现有环境和昆虫反应途径中受益，以在具有挑战性的环境中生存。
文章标题
Dynamic calcium signals mediate the feeding response of the carnivorous sundew plant