“植物网络安全”可以阻止细菌入侵我们的食物供应

植物养活我们。没有他们我们就没命了。经过几千年的选择性育种的基因改造,人类已经培育出能让我们生存的作物。我们有大粒谷物、丰满的水果和营养丰富、无毒的蔬菜。这些形态在自然界中是永远找不到的,而是人类为了让我们保持健康和快乐而培育出来的。

不幸的是,微生物发现我们生产的食物植物和我们一样美味。这些植物病原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,擅长秘密行动和破坏。方法也是一样的:关闭防御系统并访问目标的资源。一旦它们进入,植物病原体会吃掉它们所能吃的一切并疯狂繁殖。计算机黑客渴望财富或信息,而植物黑客却在追逐我们的食物。高达25%的作物在全球范围内,在疾病进入市场之前,它们就已经失去了生命。

攻击中的卵菌

最臭名昭著和狡猾的植物黑客是卵菌. 这个饥馑在19世纪40年代是由卵菌引起的疫霉,希腊语中“植物毁灭者”的意思。这场生物灾难导致数百万人移居美国,并且改变了这两个国家永远。即使在今天,卵菌和其他植物病原体仍然是一个障碍全球粮食安全,贡献给营养不良每年损失数十亿美元.

卵菌是一种奇怪的进化产物。它们看起来和行为都像真菌;因此他们的希腊名字叫“卵菌”。直到基因测序的出现,研究人员才正确地确定卵菌是藻类的近亲,不是真菌. 卵菌最初是单个微小的孢子,渗入植物的叶或根而未被发现。一旦进入体内,它们就与寄主植物的细胞建立了一种反常的联系。黑客获得了访问权限,可以随意乱动任何东西——从关闭植物的安全系统到闯入植物养分的储存库。

进化赋予卵菌一系列毒素和蛋白质集中在植物免疫系统的中枢禁用它。如果植物识别出卵菌特有的化学物质或黑客的毒素,它们就能反击这些攻击。但是检测是困难的,而且是短暂的。卵菌黑客们已经为进化建立了基因组。新陈代谢和生长的核心基因以正常的速度突变和变化。然而,毒素的基因,以及那些控制感染的基因,在一代之后被定位为重新排列、结合或关闭。这些新的形式进化得如此之快,以至于它们阻碍了变化缓慢的植物免疫系统。“这个”双速基因组也就是说卵菌在植物免疫检测上总是有优势的。当农民每年使用基因相同的作物时,卵菌不用花很长时间进化围绕着植物的防御。

那么,研究人员和种植者如何阻止植物黑客并帮助农作物呢?尽管成本和缺点,杀虫剂一直以来都是重要工具控制植物病害。

农民尽量使用最低有效量的杀菌剂,这有助于降低卵菌产生抗药性的机会。例如葫芦霜霉病预报服务佐治亚州将疾病报告与天气预报相结合,以预测疾病传播的可能路径。这使得种植者能够通过坚持高风险期来尽量减少喷洒。

不过,如果军火库里有其他武器来击退这些工厂黑客,那就太好了。

消除可利用的漏洞

麦克道尔实验室我在弗吉尼亚理工大学的研究,我们在寻找对抗卵菌病的新方法。

计算机黑客依靠利用代码中的缺陷来访问系统并获取他们想要的东西。卵菌也是这样工作的,它们利用宿主来达到目的。例如,植物疾病激活天然植物泵为它们自己的生长提供糖分。有些卵菌失去了容量产生关键的营养物质,这意味着它们依赖植物的寄主来为它们提供营养。如果没有寄主的敏感性,病原菌会在植物生病之前饿死。

我和我的同事研究模式植物中的卵菌病拟南芥,通常称为阿拉伯芥. 这种杂草只在实验室里生长,但是,就像人类的实验室老鼠一样,它提供了一种工具来了解我们的田地、果园和花园里发生了什么。

我们关注植物和病原体之间的关系,寻找卵菌利用宿主的其他途径。如果我们能够确定病原体引起疾病所需的植物细胞机制,我们就可以培育或设计植物来改变、关闭或消除这些脆弱性。

我们测试了那些通过基因操作来关闭与养分吸收、运输、储存和调节相关的单个基因的植物。我们感染这些经过改造的植物,寻找比它们的正常近亲更具抗性的植物。

通常,去除一个基因对植物有害,疾病也会受到影响。但偶尔我们会发现一种测试植物,尽管它的基因不活跃,但它的表现很好,而且不太容易受到这种疾病的影响。这些植物可能缺乏病原体生存和生长所需的关键成分。我的目标是找到这些易感基因,填补植物防御系统中那些可利用的漏洞。

展望未来,人们希望研究能够减少植物病害的影响。像电脑一样,没有一个植物防御系统是完美的。然而,如果漏洞能够被堵住,黑客将很难获得他们想要的东西。育种和基因工程都提供了弥补这些漏洞的途径,这些漏洞也可能存在于受植物入侵影响最大的蔬菜作物中。

即使地球上每个人都有足够的食物人口增长,增加对肉类的需求,需要更多新鲜果蔬需要种植更多的食物。这既可以来自更多的农田,也可以来自效率更高的农场。使用的策略限量农药与对病原体有更强抵抗力的植物一起使用,可以使我们拥有的农场更有生产力。

约翰·赫利希是博士。弗吉尼亚理工大学植物与环境科学学院的学生。这篇文章第一次出现在谈话.

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