昆虫通过植物防御影响植物的遗传结构

包括美国加州大学戴维斯分校的一位植物科学家在内的一个国际科研团队报告说，正如餐馆的老主顾对多样化食物的偏好带来了各种菜单，吃植物的昆虫的偏好也在维持和影响在一个地理区域的宿主植物的遗传变异方面起到了一个重要的作用。

这项涉及蚜虫和花椰菜样的科研植物拟南芥的新研究首次提供了可测量的证据，表明这个选择过程部分是由多种天敌施加的压力驱动的，其方法是迫使它们创造出多样的天然防御手段从而避免被吃掉。

与瑞士、丹麦和英国的科研人员合作进行的该研究的发现将发表在10月5日出版的《科学》杂志上。

“我们的数据表明了在两种类型的蚜虫的丰富程度和拟南芥植物的大陆分布之间的一种联系，这些拟南芥在产生的用于防御昆虫取食的化学物质方面存在遗传差异，”加州大学戴维斯分校的植物科学家Dan Kliebenstein说。

他的实验室正在研究参与植物防御的天然产生的化学物质，从而更好地理解它们在环境中的作用并且探索它们改善人类营养和应对癌症的潜力。

几十年来，生态学家提出了一种理论，即一个植物或动物物种内部的遗传变化和变异对于让这个物种在诸如出现新的疾病或害虫的变化的环境条件中生存下来具有关键作用。

他们已经记录了非生物变化——诸如气候和土壤的变化——可施加压力从而导致植物物种内部的遗传变异。然而，几乎没有证据表明生物力——包括昆虫以植物为食或植物物种之间的竞争——可能导致大面积地理区域上的一个植物物种内部的遗传变异。

在这项新的研究中，这组科研人员首先测绘了欧洲大陆各地拟南芥的6种不同的化学剖面，其中每一种化学剖面都是由3个基因的变异控制的

这项测绘揭示出了在各个地理区域上这些关键基因之中的一个基因的功能变化；这个基因从西南到东北发生了变化。

这组科研人员提出了一种理论，即两种蚜虫物种——甘蓝蚜(Brevicoryne brassicae)和萝卜蚜(Lipaphis erysimi)——很可能是造成这些地理差异的原因。它们都在这个地区大量存在而且严重依赖拟南芥及其亲缘物种为食。

这组科学家然后利用了英国科研人员收集的将近50年的关于欧洲蚜虫种群涨落的数据。他们发现了这两种蚜虫物种的分布密切地反映了拟南芥植物的不同化学类型的地理分布。一种蚜虫偏爱西南的化学类型，而另一种蚜虫偏爱东北的化学类型。

下一步是确定这些植物的分布模式和这两种蚜虫的分布模式之间的相似性是否不仅仅是偶然的。为了实现这一点，这组科研人员观察了不同的蚜虫以实验种植的拟南芥植株的5代为食时发生了什么。

他们证实了这些植株在遗传上适应了这些蚜虫，下一代都比上一代表现出了被这种取食昆虫造成的较少的伤害。这种植物种群的针对这两种蚜虫的遗传构成的变化伴随着这种趋势——而且这些实验室植物进化的方式跟随了这两种蚜虫以及植物化学类型的地理分布。

这组科研人员还发现当面对蚜虫的取食的时候，生长更迅速的拟南芥品种在实验室中的遭遇较好，而生长最慢的品种实际上在实验中灭绝了。

“这些数据清楚地表明即便在功能上类似的植食性害虫也可能影响植物种群的生物化学和遗传构成，在形成和改善一个天然群落的植物防御方面起到重要作用，” Kliebenstein说。

植物科学长久以来是加州大学戴维斯分校的优势学科，在这所学校，数十年以来植物生物学家对理解植物如何进化、生长、应对感染和害虫、对光做出响应、从土壤吸收营养和把阳光变成糖做出了贡献。他们的发现已经开启了开发可能在多样化的环境条件中生长的农作物的新道路。

EurekAlert!