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香蕉一直處在滅絕的邊緣,但這項古老技術(shù)有望拯救它們

 昵稱535749 2021-12-25
香蕉一直處在滅絕的邊緣,但這項古老技術(shù)有望拯救它們
2021-12-24 21:41

香蕉一直處在滅絕的邊緣,但這項古老技術(shù)有望拯救它們

本文來自微信公眾號:科研圈(ID:keyanquan),作者:戚譯引,頭圖來自:unsplash

每家水果店都能買到的香蕉,其實長期以來面臨著滅絕的危機。這是因為全世界的香蕉植株遺傳基因非常單一,一旦暴發(fā)真菌感染,很容易導(dǎo)致“團滅”。

不過最近,英國劍橋大學(xué)研究團隊(University of Cambridge)改進了古老的嫁接技術(shù),有望提升香蕉等農(nóng)作物的遺傳多樣性,這項研究近日在《自然》(Nature)發(fā)表。

你吃的每一根進口香蕉,幾乎都可以追溯到同一個祖先,那就是英國德文郡(Devonshire)一座莊園里的香蕉樹。

1870 年,園藝師 Joseph Paxton 得到了一棵從毛里求斯運來的香蕉,把它種在查茨沃斯莊園(Chatsworth house)。他用他的雇主、莊園主德文郡公爵夫婦的名字,將這株香蕉命名為卡文迪許香蕉(Cavendish banana)。

Paxton 對這株香蕉精心呵護,因為擔(dān)心它不適應(yīng)英國的氣候,他設(shè)法將它周圍的環(huán)境維持在 18~30 攝氏度。五年后,這株香蕉終于開花,結(jié)出上百根香蕉。伴隨著當(dāng)時英國的殖民擴張,這株香蕉的幼苗又被傳教士們帶到了太平洋地區(qū),逐漸擴散到世界各地。

在當(dāng)時,世界上最流行的香蕉是大米七香蕉(Gros Michel)。直到 20 世紀(jì) 50 年代,一場香蕉枯萎病(banana wilt)對香蕉產(chǎn)業(yè)造成了重大打擊。這種疾病由一種鐮刀菌(Fusarium oxysporum f.sp. cubense)引起,而卡文迪許香蕉對當(dāng)時流行的菌株 TR1 免疫,因而迅速成為主流的香蕉品種。如今,全世界種植的香蕉里約 47% 為卡文迪許香蕉,占據(jù)香蕉海運貿(mào)易的 99%(這個品種非常適應(yīng)長途運輸)。


曾幫助卡文迪許香蕉崛起的真菌,也隨時可能扼殺它。遺傳多樣性的高度匱乏使得香蕉這個物種非常脆弱??ㄎ牡显S香蕉和其他許多商業(yè)化的品種都是不育的。過去的農(nóng)民使用扦插香蕉苗的方式繁殖,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中也經(jīng)常使用組織培養(yǎng)技術(shù),這兩種方法本質(zhì)上就是克隆,每一棵香蕉苗的基因都完全相同。也就是說一旦爆發(fā)病害,就可能導(dǎo)致一個品種的香蕉“團滅”,就像當(dāng)年的大米七香蕉那樣。

圖片來源:Pixabay

在半個世紀(jì)的時間里,鐮刀菌已經(jīng)演化出新的菌株 TR4,能夠殺死卡文迪許香蕉。這種真菌通過被污染的土壤、水源和種植材料傳播,可以在土壤中存活長達三十年,目前仍未找到完全消滅它的方法。2019 年,TR4 在拉丁美洲及加勒比地區(qū)暴發(fā),這是全世界重要的香蕉產(chǎn)區(qū)。科學(xué)家預(yù)測,如果不能找到幫助卡文迪許香蕉抵御枯萎病的方法,這個品種可能在未來幾十年滅絕。

禍不單行,香蕉還面臨著一種新的病原體的威脅。近期一項研究報告,香蕉血液病(Banana Blood disease)正在東南亞地區(qū)蔓延。這種疾病由蒲桃雷爾氏菌(Ralstonia syzygii)引起,患病的香蕉果肉腐爛,變成深色,看起來就好像出血一樣。該研究作者測試了包括卡文迪許香蕉在內(nèi)的 18 個常見品種,發(fā)現(xiàn)它們?nèi)紝@種疾病易感。

為了保護香蕉,科學(xué)家們一邊努力控制疾病蔓延,一邊尋找能夠提升香蕉抗病性的方法。近期,來自英國劍橋大學(xué)的研究團隊發(fā)明了一項突破性技術(shù),第一次實現(xiàn)了單子葉植物的嫁接。這種方法不僅有望應(yīng)用于香蕉,還可以用于小麥、水稻等廣泛種植的農(nóng)作物。

嫁接技術(shù)有著悠久的歷史,被廣泛應(yīng)用于園藝和農(nóng)業(yè)中。假設(shè)你有一棵品種優(yōu)良的蘋果樹,想要培育出更多這樣的樹,可以選取它帶芽的枝條(接穗),將其嵌入一棵同種或近似種幼苗(砧木)上的切口,使得兩者的維管、生長組織剛好對齊。經(jīng)過一段時間的生長,接口愈合,植物就會長成一棵同樣優(yōu)良的蘋果樹,盡管它的根部來自另一棵植株。

圖片來源:Pixabay

但是,嫁接技術(shù)一直不適用于像香蕉這樣的單子葉植物,因為它們?nèi)狈?strong>維管形成層(vascular cambium)。這是樹皮(韌皮部)內(nèi)側(cè)的一層結(jié)構(gòu),在嫁接過程中,維管形成層的生長讓兩個植株真正融合到一起,實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)交換,讓植株成活。

劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn),在單子葉植物種子發(fā)育的早期階段,分別取它們的根和芽組織,在下胚軸位置實施嫁接,就能有效融合。該技術(shù)對一系列單子葉作物植物有效,包括菠蘿、香蕉、洋蔥、龍舌蘭和棗椰樹。實驗證明,將熒光染料注入植物根部,可以看到它向上移動并穿過嫁接部位。

嫁接后生長了 2.5 年的棗椰樹,右下角放大圖片中,白色箭頭所指為嫁接部位。圖片來源:Julian Hibberd

這個技術(shù)聽起來并不復(fù)雜,但研究團隊需要對抗這個領(lǐng)域里根深蒂固的成見?!拔一仡櫫诉^去幾十年關(guān)于嫁接的研究論文,每個人都說它不能用于單子葉植物。我很固執(zhí)地堅持下去,堅持了很多年,直到我證明他們是錯的,”劍橋大學(xué)植物科學(xué)系學(xué)者、蓋茨劍橋獎學(xué)金獲得者(Gates Cambridge Scholar)、該論文的第一作者 Greg Reeves 博士說。

“我們實現(xiàn)了每個人都認(rèn)為不可能的事情。胚胎組織嫁接在一系列類似物種中具有真正的潛力。我們還發(fā)現(xiàn),即使是在演化上相隔較遠(yuǎn)的物種,它們也是嫁接相容的,”該研究資深作者、劍橋大學(xué)植物科學(xué)系的 Julian Hibberd 教授說。

全世界有大約 6 萬種單子葉植物,其中許多是重要的農(nóng)業(yè)作物,如水稻、小麥、大麥。這一最新技術(shù)有助于改良植物品種,例如培育矮化植物,提升對土壤傳播病菌的抵抗力,或提升在惡劣環(huán)境條件下生長的能力。

Reeves 補充說:“使重要的糧食作物能夠?qū)拐诖輾鼈兊募膊。@是一項緊迫的挑戰(zhàn)。我們的技術(shù)能夠直接提升植物抗病性,或者耐鹽堿等其他有益的特性,而不需要借助基因改造或長時間的育種計劃?!?/p>

研究人員已通過劍橋企業(yè)(Cambridge Enterprise)為他們的嫁接技術(shù)申請了專利,或許在不久的將來就能在農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用。

論文信息

Reeves, G., Tripathi, A., Singh, P. et al. Monocotyledonous plants graft at the embryonic root–shoot interface. Nature (2021). https:///10.1038/s41586-021-04247-y 

參考來源:

https://www./news/uk-england-35131751 

https://www./news-releases/938393 

https://www./news/story/zh/item/1237499/icode/ 

https://www./articles/d41586-019-02770-7 

https:///news/2021-12-mainland-malaysia-banana-blood-disease.html 

https://apsjournals./doi/10.1094/PDIS-01-21-0149-RE 

本文來自微信公眾號:科研圈(ID:keyanquan),作者:戚譯引

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