卡內基·梅隆大學的Kangmei Zhao和Sue Rhee領導的新研究揭示了一種新的機制，通過這種機制，植物能夠迅速激活對細菌感染的防禦。這一認識可以激發提高作物產量和對抗全球飢餓的努力。
Rhee解釋說：“了解植物如何對壓力環境做出反應，對於制定戰略以保護重要的糧食和生物燃料作物免受不斷變化的氣候影響至關重要。”
Zhao和Rhee與卡內基·梅隆大學的Benjamin Jin以及斯坦福大學的Deze Kong和Christina Smolke在《eLife》上發表的新工作，研究了一種名為camalexin的植物防禦化合物的生產是如何在基因水平上被激活的。
“由於植物生長在一個固定的位置，它們無法逃離捕食者或病原體，”研究人員解釋說。“相反，它們已經進化到產生幫助它們抵禦入侵者的化合物，還有其他功能。”
Camalexin，像其他植物代謝物一樣，是稱為酶的蛋白質合成的，它執行細胞的許多功能職責。當植物處於環境壓力下時，它激活了編碼這些酶的基因。研究人員着手闡明一個植物細胞如何能夠迅速啟動“生產線”，並在適當的時候對外部條件或威脅作出反應。
一個細胞的遺傳物質編碼了製造這些camalexin生產酶的配方，以及細胞在其生命的每個階段的各種條件下進行必要功能所需的所有蛋白質。這是一個很大的信息量。這就是為什麼細胞中的遺傳密碼的組織是如此關鍵。
“想象一下，一個細胞的基因組是一個巨大的圖書館，每個基因是一本書，而每個染色體是一個極其巨大的書架，”Rhee說。“細胞有不同的機制，可以在這個龐大的信息庫中迅速找到它所需要的基因，以便它能夠被轉錄和翻譯，製造出編碼的蛋白質，並對環境條件做出反應，包括威脅和壓力。”
這些策略包括在所有基因和相關材料（統稱為染色質）的結構中添加或刪除標籤或標記，這可以增強或抑制特定基因的表達。有時，激活和抑制元素同時存在，這種現象稱為二價染色質。
研究人員能夠闡明一種從未被描述過的二價染色質類型的存在–他們稱其為kairostat，它使camalexin的生物合成途徑保持不活動，直到有一個病原體信號。他們的研究結果表明，需要這兩個元素來控制植物對外部壓力反應的適當時機。
“Camalexin和其他防禦化合物通常非常昂貴，而且對植物來說是有毒的。所以，植物一直製造它們是很不利的，”研究人員說。“植物科學家們早就知道，當植物受到害蟲和病原體的攻擊時，這些防禦化合物正好被製造出來。我們現在對一個分子機制有了新的掌握，該機制使camalexin的生產有了精確的時間。這一發現可以為應對氣候變化和全球飢餓的戰略提供信息，甚至可以為植物源藥物的合成提供信息。”
展望未來，該小組希望對參與建立和去除表觀遺傳標記的所有蛋白質進行定性，以確定更多的kairostats，並更好地了解它們在環境反應和其他植物功能中的作用。