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“植物的网络安全”可以阻止细菌攻击我们的食品供应

植物养活我们。没有他们,我们就完了。经过几千年选择性育种的基因改良,人类培育出了维持我们生存的作物。我们有大粒的谷物,丰满的水果和营养、无毒的蔬菜。这些形式永远不会在自然界中发现,而是由人类培育,以保持我们的健康和快乐。

不幸的是,微生物发现我们的食物植物和我们一样美味。这些植物病原体引起的疾病改变了世界历史,至今仍影响着我们。

这些病原体是植物黑客。就像电脑黑客一样,他们是专门的渗透者,擅长隐身和中断。这些方法也是如此:关闭防御并访问目标的资源。一旦它们进入,植物病原体就会吃它们可以疯狂地繁殖。计算机黑客渴望财富或信息,但植物黑客是我们的食物之后。取决于25%的农作物在进入市场之前就已经被疾病夺去了生命。

左边,玉米和它的野生祖先<em>大刍草</em>显示了如何通过选择性育种改变植物以适应人类的需要。在右边,玉米感染麦角疾病表明,我们不是唯一一个生活在庄稼的人。

在左侧,玉米和野生的祖先Teosinte.展示选择性育种如何改性植物以满足人类需求。在右边,玉米感染麦角疾病表明,我们不是唯一一个生活在庄稼的人。信用:Nicolle Rager Fuller,NSF(左);
Gailhampshire(右)

oomycetes对攻击

最臭名昭着和狡猾的植物黑客是oomycetes.。的爱尔兰土豆饥荒在1840年代是由oomycete引起的Phytophthora.在希腊语中是“植物破坏者”的意思。这场生物灾难导致数百万人移民到美国,而且改变两国永远。即使在今天,oomycetes和植物的其余病原体仍然是一个障碍全球粮食安全,导致营养不良每年造成数十亿美元的损失

卵菌是进化的奇怪产物。它们看起来和行为都像真菌;因此它们的希腊名字是“虫卵”。直到基因测序的出现,研究人员才正确地将卵菌确定为藻类的近亲,不是真菌。oomycetes以渗透植物叶子或根未被发现的单个微观孢子。在内部,它们与宿主植物的细胞建立了常规连接。黑客可以访问,并可以随意乱搞他们想要的任何东西 - 从植物的安全系统关闭闯入植物营养的商店。

进化给卵菌提供了大量的毒素和蛋白质聚集在植物免疫系统的中心禁用它。如果他们认识到oomycete的化学品或黑客毒素,植物可以反对这些攻击。但是检测很困难和稍纵即逝。oomycetes黑客有基因组成用于进化。代谢和生长突变的核心基因并以正常的速度变化。然而,毒素的基因以及控制感染的基因被定位成重新排列,组合或在单一一代后关闭或关闭。这些新的形式如此之快地发展,使得它们绕过慢改变的植物免疫系统。这 ”双速基因组“指oomycetes总是对植物免疫检测进行腿。当农民每年使用遗传上相同的作物时,oomycetes不要花很长时间进化周围的植物防御。

那么研究人员和种植者如何阻止植物黑客并帮助作物呢?尽管成本很高缺点农药一直是一个重要工具控制植物病害。

蓝色染色显示omycete病原体感染植物根细胞。

蓝色污渍显示omycete
病原体感染植物根细胞。信誉:John Herlihy

农民试图使用最低有效量的杀菌剂,这有助于降低oomycetes会产生阻力的机会。例如,葫芦科弱势预测服务在格鲁吉亚结合了疾病的报道与天气预报中预测预测可能的疾病路径传播。这使种植者可以通过粘附到高风险时期来最小化喷雾。

但是在阿森纳拥有其他武器会争取这些植物黑客会很高兴。

摆脱可利用的漏洞

麦克道尔实验室在弗吉尼亚理工学院在这里研究,我们寻找对抗oomycete疾病的新方法。

计算机黑客依靠在代码中利用缺陷来访问系统并采取他们想要的东西。Oomycetes以同样的方式工作,使用他们的主人达到他们的目的。例如,植物病害激活天然植物泵为自己的增长提供糖。一些oomycetes有失去了产能为了产生关键的营养素,这意味着他们依靠他们的植物主机为他们做。如果没有植物寄主的敏感性,病原体将在植物生病之前饿死。

我的同事和我在模型植物中研究了oomycete疾病拟南芥,更常见的是thale水芹。这款杂草只在实验室中生长,但像人类的实验室小鼠一样,提供了一个理解我们领域,果园和花园的内容的工具。

我们专注于植物和病原体之间的关系,寻找oomycetes利用他们的主人的其他方式。如果我们可以识别植物细胞机制的机制,即病原体需要引起疾病,我们可以培育或工程工厂改变,关闭或摆脱这些漏洞。

我们测试了通过基因控制关闭与养分吸收、运输、储存和调节相关的单个基因的植物。我们感染这些转基因植物,寻找任何比它们正常亲戚更有抗性的植物。

拟南芥幼苗在卵菌感染前后。右边的侵染植株上的白毛是产生孢子的生殖结构;这种枕头状的外观给这种病菌起了个名字——霜霉病。

拟南芥幼苗前后
卵菌感染。白发苍苍
右边的受感染的植物是
孢子生产的生殖结构;
枕头外观给了病原体
它的名字,霜霉病。信誉:John Herlihy

通常去除基因对植物有害,并且疾病也受到影响。但偶尔我们发现一个测试厂,尽管它不活泼的基因,但确实很好 - 并且易受这种疾病的影响。潜在地,那些植物缺乏关键成分,病原体需要生存和生长。找到那些易感性基因,并关闭植物防御中的可利用漏洞是我的目标。

期待着,希望研究能够减少植物疾病的影响。像电脑一样,没有植物防御系统是完美的。但是,如果可以关闭漏洞,黑客将有一个更加艰难的时间访问它们之后的内容。繁殖和基因工程都提供了关闭这些漏洞的途径,这些漏洞也可能存在于受植物黑客影响最大的蔬菜作物。

即使地球上的每个人都有足够吃的东西,a生长人口, 增加对肉的需求和更多的需求新鲜农产品需要种植更多的粮食。这既可以来自更多的农田,也可以来自更高效的农场。策略使用有限的农药与那些对病原体更有抵抗力的植物一起使用可以让我们的农场更多产。

约翰·赫利希(John Herlihy)是弗吉尼亚理工大学植物与环境科学学院的博士生谈话

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