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來杯植物二次代謝物雞尾酒─早期發現作物的抗病性

農業科專服務小組/蘇昭萍專案經理

農民及植物育種者,皆期望能即早了解哪些品種對病害逆境是具有抗性(即抵抗能力),但截至目前為止,都必須將植株栽種於田間,待植株成熟後,方能觀察到植株是否具有抗病性。現今研究顯示有一個新的方式可以讓農民及植物育種者節省時間和降低風險,可望比以前更早預測品種的抗病性。

用一杯雞尾酒灌醉病原菌

植物沒有「白血球」等免疫系統,不能像人類或其他動物一樣產生「抗體」,來與入侵的病原菌作戰,當有異物入侵時,植物是以先天抗病基因啟動生化防禦系統,合成化學物質藉此抵抗威脅,這些化學物質即為二次代謝物。植物面對每一個威脅,必須混合製造不同的化學物質,就像一杯二次代謝物組成的雞尾酒(cocktail),依據不同的地點、天氣和其他的環境條件,植物調配出來的雞尾酒也不同,如類黃酮可吸收有害的紫外線輻射,而部分類黃酮可作為植物與菌根菌共生關係之訊號,有些酚類可阻斷病原微生物之攻擊,而用於強化樹體和組織的木質素亦為酚類之聚合物。

在病原菌長期潛伏於栽培環境無法徹底清除的狀況下,如青枯病菌(Ralstonia solanacearum),利用植物與生俱來的抗病性,成為抗病育種的一個手段。南非約翰尼斯堡大學植物代謝研究中心主任Ian Dubery教授認為,在全基因組DNA解序的時代,透過分析栽種品種的所有基因,並挑選其中一個適當的基因抵抗特定逆境進行育種看似容易,但植物面對一種逆境可能可透過單一基因將抗性打開或關閉,也可能牽扯到數個基因,像抗青枯病屬於多基因遺傳性狀,目前這些機制尚未完整解析,很難看出哪些栽種品種對青枯病具有抗性。此外,抗感病品種栽種時亦受環境因子影響,在種植初期,可能有些植株看起來感病無法抵禦威脅,但消除感病的植株也不表示留下具有抗性的品種。該研究團隊認為使用非靶向代謝學解析品種間抗感病差異,可望早期判別選育品種抗病程度,或許是加速抗病育種的另一條路徑。

抗逆境育種可以更有效率

研究團隊透過挑選4種對青枯病菌具有中至高抗性的番茄商業栽培品種,從每個栽培品種的健康植株上分別取得根、莖、葉組織,並將其搗碎後以甲醇萃取,再將各栽培品種的萃取物利用超高效液相色譜搭配高解析質譜分析儀進行41種化學物質分析,藉此了解各栽培品種製造哪些代謝化學物質和製造多少量,並將原始數據透過統計引擎進行多變量分析。

由於植物二次代謝物形成速率快慢及累積量多寡決定植物的抗感病性,如果這個品種擁有更強的抗性,它們會製造更多所需的化學物質抵抗威脅,在分析過程中這些化學物質會出現一個很強的高峰(strong peak);如果這個品種並未擁有抗性,它便不會製造化學物質,或只出現非常低的量。

圖譜顯示不同番茄品種獨有的變異,反應品種間之代謝差異。

▲ 圖譜顯示不同番茄品種獨有的變異(紅色虛線圓圈標示),反應品種間之代謝差異。
圖片來源:Zeiss et al., 2018

經由比較各栽培品種之代謝化學物質組成,以及與已知抗青枯病的品種進行關聯比對,研究人員找到番茄對抗青枯病的代謝指紋圖譜(metabolite fingerprint)。這表示一個具有抵抗某個逆境的抗性遺傳能力的栽培品種,在幼苗僅生長幾週時期,便可以透過代謝指紋圖譜比對,預測栽培品種抗病程度。

研究團隊所開發的技術可望應用於其他植物與病原菌,找出不同的代謝指紋圖譜,在全球氣候變遷的威脅下,栽培環境越趨困難,植物育種面臨一個長期又迫切地挑戰,未來植物育種者可以透過結合代謝產物與遺傳學技術,更快速地篩選對熱、乾旱、細菌和病毒等逆境更有抗性的作物品種,發揮1+1>2的功效,以抵禦氣候變遷及各種環境造成的危害。

參考資料

  1. 安寶貞、陳昭瑩(民105年12月)。植物誘導性抗病之研究與應用。檢自http://ir.tari.gov.tw:8080/bitstream/345210000/2979/1/%E6%A4%8D%E7%89%A9%E8%AA%98%E5%B0%8E%E6%8A%97%E7%97%85%E6%80%A7%E4%B9%8B%E7%A0%94%E7%A9%B6%E8%88%87%E6%87%89%E7%94%A8.pdf (Oct. 24, 2018)
  2. 周浩平、陳以錚(民105年1月)。應用液化澱粉芽孢桿菌PMB01防治作物土壤傳播性病害。檢自https://www.coa.gov.tw/ws.php?id=2504100&RWD_mode=Y&print=Y (Oct. 11, 2018)。
  3. Dylan Zeiss, Msizi Mhlongo, Fidele Tugizimana, Paul Steenkamp, Ian Dubery. (2018). Comparative Metabolic Phenotyping of Tomato (Solanum lycopersicum) for the Identification of Metabolic Signatures in Cultivars Differing in Resistance to Ralstonia solanacearum. International Journal of Molecular Sciences, 19 (9): 2558 DOI: 10.3390/ijms19092558
  4. ScienceDaily, “Tomatoes 'mixing chemical cocktails': Early detection of disease resistance in food crops”, Retrieved from https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180927083330.htm (Oct. 5, 2018)
  5. Secondary Metabolites from Plants。檢自http://web.nchu.edu.tw/pweb/users/taiwanfir/lesson/1146.pdf (Oct. 15, 2018)