植物會製造有毒物質，保護自己不被食草動物吃掉。在一項新研究中，德國馬克斯·普朗克化學生態研究所（Max Planck Institute for Chemical Ecology）和明斯特大學（University of Munster）的科學家詳細描述了一類重要防禦性物質的生物合成和確切的作用方式。這類物質名為二萜糖苷（diterpene glycoside），存在於野生菸草植物中，能保護植物不落入食草動物口中。而該研究表明，這類植物化學成分會攻擊細胞膜的特定部分。菸草植物為了保護自己的細胞膜，避免自身被有毒物質毒害，往往以非常特殊的方式合成沒有毒性的二萜糖苷，將其儲存在細胞中。自毒作用（autotoxicity）和防止自毒在植物防禦演化過程中發揮的作用似乎要比先前研究認為的更加重要。
許多植物會製造化學防禦性物質，保護自己不被吃掉。然而，目前並不清楚具體什麼使這些物質能毒害吃它的動物。該研究團隊長期關注植物如何製造毒素，以及如何將毒素儲存在自己的組織內，同時又不傷害自身。他們尤其想知道，自毒作用和防禦自毒作用的機制是否和製造抗食草動物的毒素特徵機制相一致。
在實驗中，科學家選擇了來自野生菸草（
Nicotiana attenuate
）的二萜糖苷。“這些毒性物質在菸草植株葉片中的濃度非常高。但我們卻不知道它們的防禦效果為什麼如此出眾，以及植物為什麼能夠製造出毒性這麼強的物質。這種情況非常不同於同類植物中大量存在的另一種毒性物質，就是尼古丁（nicotine）。尼古丁是一種特異性神經毒素。因為植物缺乏神經和肌肉，沒有靶點讓尼古丁下手，所以在體內製造並儲存大量尼古丁完全不會傷害植物本身。”馬普所分子生態學專家Ian Baldwin這樣解釋道。
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研究人員改造了實驗用的菸草植物，讓它們無法制造參與生物合成二萜糖苷的兩種蛋白質，因此也無法形成大量儲存於葉片中的防禦性物質，結果出人意料，他們發現植物反而表現出明顯的自毒症狀：發生病變，無法正常生長，而且再也無法繁殖。進一步的實驗分析揭示了原因：細胞膜中的一類特定成分——鞘脂類（
sphingolipids
）遭到了攻擊。
所有動物和植物體內都存在鞘脂類物質，包括野生菸草的天敵——菸草天蛾（
Manduca sexta
）的幼蟲。因此，研究人員追問，鞘脂類代謝是否就是二萜糖苷攻擊的目標。事實上，與吃了包含二萜糖苷的植物的菸草天蛾幼蟲對照組相比，用不含這種防禦性化學物質的植物餵養的幼蟲長得要好得多。隨後，研究人員分析幼蟲了消化含有二萜糖苷食物後排出的糞便。消化毒素的降解過程正好與植物合成毒素的過程完全相反，因此分析結果給研究人員提供了
進一步
思路。植物為了防止自毒作用，在內部會儲存該防禦性物質的無毒形式。然而，當昆蟲吃下植物，其中的無毒分子就會被降解，而有毒的化學物質便
因此
啟用，或者說“武裝起來”。“有意思的是，在兩種情況下，無論是植物包含不完全合成的二萜糖苷，還是餵養天蛾幼蟲有毒植物，毒素的靶點始終是鞘脂類代謝。”該研究論文的第一作者Jiancai Li說道。
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鞘脂類是許多生理過程的介導因子。因此，二萜糖苷對鞘脂類代謝的影響激起了研究人員的興趣。“二萜糖苷及其衍生物對許多農業害蟲和病原體真菌發揮廣泛的防禦功能。與此同時，許多人類疾病，比如糖尿病、癌症和一些神經退行性疾病，也和鞘脂類代謝的提升相關。”研究資深作者之一、蒙斯特大學演化和生物多樣性研究所的Shuqing Xu說。醫學專家們一直尋找治療這些疾病的有效物質，抑制鞘脂類代謝，而新研究的實驗物件——二萜糖苷則有潛力成為深入調查的候選物質。
分析幼蟲糞證明是該研究成功的關鍵。研究人員將這一新方法命名為“糞便代謝組學（frassomics）”：結合糞便代謝組學，分析生物體內的所有代謝物質。Ian Baldwin說：“透過這項研究，我們意識到糞便代謝組學能夠成為一種非常強大的研究工具。分析幼蟲糞便給我們提供了代謝線索，瞭解了某一生物體制造的物質被另一生物體吞食後的代謝方式。”
接下來，科學家們計劃進一步調查植物和昆蟲之間的“消化二重奏”，從而更好地理解植物、昆蟲和微生物三者之間的生態互作。
翻譯：阿金
審校：戚譯引
引進來源：馬克斯·普朗克化學生態研究所
本文來自：中國數字科技館