十字花科植物的刺激性防御机制：重新利用的气孔基因如何抵御食草动物

在整个进化过程中，植物不断适应在不断变化的环境中生存。除了复杂的结构变化外，植物还开发了各种防御食草动物的策略，包括更坚固的保护层、刺和化学威慑剂

奈良科学技术研究所（NAIST）的白川诚助理教授领导的一个研究小组深入研究了防御机制的进化，发现了巴西植物目中一种令人惊讶的遗传适应性。在这些十字花科植物中，包括卷心菜、芥末和山葵，最初用于气体交换的基因已被重新用于防御

研究人员发现了这种进化适应背后的独特机制。他们的发现发表在《自然植物》上。研究小组包括来自NAIST的伊藤敏郎和其他人

根据这项研究，FAMA是一种主要负责调节气体交换基因表达的蛋白质，对十字花科植物具有双重作用。除了控制气孔（用于气体交换的微孔）保卫细胞外，FAMA还有助于产生黑色素细胞——储存芥末油化合物的特殊结构。因此，当植物受损时，这些化合物会产生一种强烈的刺激性味道，排斥食草动物

Shirakawa博士说：“我们发现了一种名为WASABI MAKER（WSB）的特定基因，它直接被FAMA激活，是黑芥子细胞发育的关键触发器。”

“当我们研究没有WSB的植物时，我们发现这些防御细胞未能形成，这证实了它在黑色素细胞生产中的重要作用。”

此外，研究人员还发现了另一个名为STOMATAL CARPENTER 1（SCAP1）的基因，它也是FAMA的靶标。该基因与WSB合作调节保卫细胞发育，但它在黑色素细胞形成中的作用似乎是次要的

进化分析表明，这些遗传途径最初有助于调节气孔发育，但后来在巴西菜中被重新用于防御。伊藤补充道：“这一发现特别有趣，因为它突显了基因再利用如何使植物在不进化出全新基因的情况下开发出新的生存策略。”

这一显著发现为提高作物产量提供了有前景的途径。修改FAMA等关键基因调控因子可以帮助增强作物和蔬菜的化学防御，避免虫害。此外，由于FAMA还控制着气体交换，因此可以优化它，使其在植物中有效吸收二氧化碳

展望未来，研究人员的目标是揭示植物如何进化产生如此多样化的特化细胞的机制

白川方明博士强调了他们研究的重要性，总结道：“除了为作物改良策略提供新的见解外，我们相信我们未来的工作将有助于回答生物学最基本的问题之一：植物是如何在有限的基因数量下实现如此显著的多样性的？”