植物会制造有毒物质,保护自己不被食草动物吃掉。在一项新研究中,德国马克斯·普朗克化学生态研究所(Max Planck Institute for Chemical Ecology)和明斯特大学(University of Munster)的科学家详细描述了一类重要防御性物质的生物合成和确切的作用方式。这类物质名为二萜糖苷(diterpene glycoside),存在于野生烟草植物中,能保护植物不落入食草动物口中。而该研究表明,这类植物化学成分会攻击细胞膜的特定部分。烟草植物为了保护自己的细胞膜,避免自身被有毒物质毒害,往往以非常特殊的方式合成没有毒性的二萜糖苷,将其储存在细胞中。自毒作用(autotoxicity)和防止自毒在植物防御演化过程中发挥的作用似乎要比先前研究认为的更加重要。
在实验中,科学家选择了来自野生烟草(Nicotiana attenuate)的二萜糖苷。“这些毒性物质在烟草植株叶片中的浓度非常高。但我们却不知道它们的防御效果为什么如此出众,以及植物为什么能够制造出毒性这么强的物质。这种情况非常不同于同类植物中大量存在的另一种毒性物质,就是尼古丁(nicotine)。尼古丁是一种特异性神经毒素。因为植物缺乏神经和肌肉,没有靶点让尼古丁下手,所以在体内制造并储存大量尼古丁完全不会伤害植物本身。”马普所分子生态学专家 Ian Baldwin 这样解释道。
所有动物和植物体内都存在鞘脂类物质,包括野生烟草的天敌——烟草天蛾(Manduca sexta)的幼虫。因此,研究人员追问,鞘脂类代谢是否就是二萜糖苷攻击的目标。事实上,与吃了包含二萜糖苷的植物的烟草天蛾幼虫对照组相比,用不含这种防御性化学物质的植物喂养的幼虫长得要好得多。随后,研究人员分析幼虫了消化含有二萜糖苷食物后排出的粪便。消化毒素的降解过程正好与植物合成毒素的过程完全相反,因此分析结果给研究人员提供了进一步思路。植物为了防止自毒作用,在内部会储存该防御性物质的无毒形式。然而,当昆虫吃下植物,其中的无毒分子就会被降解,而有毒的化学物质便因此激活,或者说“武装起来”。“有意思的是,在两种情况下,无论是植物包含不完全合成的二萜糖苷,还是喂养天蛾幼虫有毒植物,毒素的靶点始终是鞘脂类代谢。”该研究论文的第一作者 Jiancai Li 说道。