科學(xué)家揭示了植物糖的分布和生理作用。

獨(dú)腳金（Striga spp.）和帚狀油菜（Orobanche和Phelipanche spp.）是根寄生雜草，給全球農(nóng)業(yè)造成重大損失。作為自然界的專性寄生開花植物，它們寄生于其他具有重要農(nóng)業(yè)意義的自養(yǎng)植物。這些植物通過吸器與宿主相連，吸器將營養(yǎng)物質(zhì)從宿主轉(zhuǎn)移到寄生蟲身上。雜草通過競(jìng)爭(zhēng)資源（養(yǎng)分、水分和光合有效輻射）和化感作用降低作物產(chǎn)量，并降低食物、飼料和纖維質(zhì)量。

干制歐氏小種子中植物糖的可視化。亮野種子切片圖(左);前體離子m/z 526.17的質(zhì)量圖像(右)。

根據(jù)嚴(yán)格的抽樣，目前還沒有受Orobanche或Striga加影響的總面積的可靠全球數(shù)字。然而，在地中海和西亞地區(qū)，估計(jì)有1600萬公頃的土地“面臨”O(jiān)robanche的攻擊。非洲Striga的相應(yīng)數(shù)字為4400萬公頃，而玉米、珍珠谷子和高粱的總收入損失近29億美元。最近的數(shù)據(jù)顯示，非洲有5000萬公頃土地和3億農(nóng)民受到Striga物種的影響，損失達(dá)70億美元。

寄生雜草是專性寄生蟲，很難控制。一種潛在的控制方法是使用針對(duì)根寄生雜草的生長調(diào)節(jié)劑。了解根系寄生雜草生命周期中的生理機(jī)制對(duì)于識(shí)別特定的生長調(diào)節(jié)劑靶標(biāo)至關(guān)重要。

植物糖(一種貯藏碳水化合物)的代謝是一個(gè)可能的目標(biāo)，以控制根系寄生雜草。在之前的一項(xiàng)研究中，Atsushi Okazawa副教授和他的合作者揭示了在Orobanche小種種子萌發(fā)過程中感知獨(dú)角金內(nèi)酯(一種刺激植物分枝和共生叢枝菌根真菌生長的植物激素)后，植物糖代謝被激活。野尻霉素(Nojirimycin，α-糖苷酶抑制劑)抑制植物糖代謝，抑制Orobanche種子萌發(fā)，表明植物糖代謝可能是防治根際寄生雜草的靶點(diǎn)。

O. minor種子萌發(fā)代謝譜研究。（A）正方形（使用GR24處理）或圓形（不使用GR24處理）顯示樣本采集的時(shí)間點(diǎn)。GR24在第8天施用（如箭頭所示）。（B）調(diào)節(jié)和萌發(fā)期間不同階段種子代謝產(chǎn)物譜的主成分分析，顯示為前兩個(gè)主成分分析的組合（代表85%的代謝產(chǎn)物方差）。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立的樣本。（C）加載圖，顯示計(jì)算PC 1時(shí)總離子流色譜圖各數(shù)據(jù)點(diǎn)的重量。

在最近的一項(xiàng)研究中，來自大阪府立大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究了小Orobanche種子萌發(fā)過程中的α-半乳糖苷酶(AGALs)活性。他們還利用基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜成像技術(shù)研究了干種子中植物糖的分布。

在胚胎周圍的組織中發(fā)現(xiàn)了植物糖，但在胚胎內(nèi)部卻沒有發(fā)現(xiàn)，這表明植物糖可能有儲(chǔ)存碳水化合物的作用。α-半乳糖苷酶家族成員OmAGAL2的生化實(shí)驗(yàn)和分子鑒定表明，該酶在獨(dú)腳金內(nèi)酯被感知后，參與胚外體中植物糖的水解，為胚萌發(fā)提供必要的己糖。上述結(jié)果表明，OmAGAL2是一種潛在的防治根系寄生雜草的分子靶點(diǎn)。

在條件處理和萌發(fā)過程中，小圓齒藻種子中的糖譜。在任何樣本中均未檢測(cè)到半乳糖。（A）通過GC-MS分析獲得的干種子中糖的總離子流色譜圖。果糖；葡萄糖；Pla，planteose；蔗糖。（B）未經(jīng)GR24處理的種子中糖含量的變化（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，n=3）。預(yù)處理期為7天，在預(yù)處理的最后一天使用蒸餾水，因此不會(huì)誘導(dǎo)發(fā)芽。星號(hào)表示干燥種子和處理種子期間各糖含量的顯著差異（P<0.05，Tukey-Kramer）。（C）經(jīng)GR24處理后的小圓齒藻種子發(fā)芽率。調(diào)理期為7天；在調(diào)理的最后一天施用10 mg·L-1（w/v）GR24。沒有GR24處理，種子不會(huì)發(fā)芽。在顯微鏡下觀察種子并計(jì)數(shù)發(fā)芽種子（平均值±SD，n=3）。（D–G）GR24處理的種子中糖含量的變化（平均值±SD，n=3）。調(diào)理期為7天，在調(diào)理的最后一天施用10 mg·L-1（w/v）GR24。不同的字母表示在萌發(fā)期間糖含量存在顯著差異（P<0.05，Tukey-Kramer）。

獲得的兩個(gè)片段離子的質(zhì)譜圖像幾乎相同，表明這些片段離子都來自一個(gè)單一的來源——植物糖。作者還提供了直觀的證明，植物糖分布在Orobanche的干種子的胚乳、外胚乳和種皮中，這與它作為貯藏碳水化合物的作用相吻合。

綜上所述，本研究的發(fā)現(xiàn)說明:(1)植物糖分布在Orobanche小型干種子中，其生理作用難以確定;(2)在根寄生雜草種子萌發(fā)過程中，植物糖在感知獨(dú)腳金內(nèi)酯(SLs)后迅速水解;胚乳、外胚乳和種皮在根寄生雜草中起著營養(yǎng)供應(yīng)的作用。

NJ對(duì)寄生和非寄生植物種子萌發(fā)的影響。（A）不同濃度的NJ對(duì)小花酢漿草種子發(fā)芽率的影響（平均值±SD，n=3）。NJ處理后，小花酢漿草種子的發(fā)芽率呈劑量依賴性下降。（B） NJ對(duì)其他植物種子發(fā)芽率的影響（平均值±SD，n=3）。（C）在NJ存在下黑麥草胚根伸長的形態(tài)學(xué)變化。結(jié)晶紫染色有助于胚根的可視化。處理如下：（i）僅10mg·L-1（w/v）GR24；（ii）GR24+1μM NJ；（iii）GR24+10μM NJ；和（iv）GR24+100μM.Bar:200μM.（D）在不同濃度下用NJ處理的黑麥草的胚根長度。用ImageJ軟件測(cè)定了100顆萌發(fā)種子的胚根長度。NJ對(duì)胚根伸長有劑量依賴性抑制作用。不同的字母表示胚根長度存在顯著差異（P<0.05，Tukey-Kramer）。

此外，本研究的新穎之處在于:這是第一次，作者可視化了一種根寄生雜草種子中儲(chǔ)存的碳水化合物(植物糖)的分布。

這篇題為“α-半乳糖苷酶OmAGAL2參與小Orobanche種子萌發(fā)過程中的植物糖水解”的文章發(fā)表于2021年12月01日的《Journal of Experimental Botany》上。

來源：Involvement of α-galactosidase OmAGAL2 in planteose hydrolysisduring seed germination of Orobanche minor, Journal of Experimental Botany(2021). DOI: 10.1093/jxb/erab527；The effect of nojirimycin on the transcriptome of germinatingOrobanche minor seeds, Journal of Pesticide Science (2020). DOI:10.1584/jpestics.D20-057；Planteose as a storage carbohydrate required for early stage ofgermination of Orobanche minor and its metabolism as a possible target forselective control, Journal of Experimental Botany (2015). DOI:10.1093/jxb/erv116；Observations on the current status of Orobancheand Striga problemsworldwide, Pest Management Science (2009). DOI: 10.1002/ps.1713