普渡大學領導的研究小組已經開始翻譯矮牽牛復雜的分子語言。然而，它們的語法和詞匯被很好地隱藏在充滿花細胞的無數蛋白質和其他化合物中。

植物扎根于地面，無法逃避昆蟲、病原體或其他對其生存的威脅。但植物科學家早就知道，它們確實通過稱為揮發性有機化合物的氣味化學物質向彼此發出警告。

“它們使用揮發物是因為它們不會說話，” 普渡大學生物化學 、 園藝和景觀建筑學杰出教授 納塔莉亞·杜達雷娃 (Natalia Dudareva)說。 “植物向鄰近的植物通報病原體的攻擊。它看起來幾乎就像免疫接種一樣。在正常情況下，您不會看到接收設備發生任何變化。但一旦接收植物被感染，它的反應就會更快。它已準備好做出回應。”

植物科學家很早就知道這種類似免疫的啟動作用，但直到幾年前，他們還沒有辦法研究這個過程。他們需要一個標記來表明植物已檢測到揮發性化合物。

Dudareva 和 13 位合著者 在 2024 年 3 月 22 日出版的《科學》 雜志上描述了檢測過程的新細節。該團隊包括來自普渡大學、法國圣艾蒂安大學和加州大學戴維斯分校的研究人員。

科學家對揮發物的植物受體知之甚少。杜達雷娃說，哺乳動物和昆蟲也有揮發物，但它們感知揮發物的方式差異太大，無法幫助研究人員研究植物中的這一過程。

由普渡大學科學家領導的一個研究小組記錄了有關矮牽牛如何利用揮發性有機化合物進行交流的新細節。

2019 年，杜達雷娃和她的同事在《自然化學生物學》雜志上發表了他們對一種新生理過程的發現， “自然熏蒸是花器官之間揮發性物質傳輸的機制”。 該研究描述了植物的花管如何產生揮發性化合物來消毒其柱頭(雌蕊中收集花粉的部分)，以防止病原體的攻擊。

“柱頭上有很多糖，尤其是矮牽牛。這意味著在沒有這些揮發物存在的情況下，細菌也會生長得很好，”杜達雷娃說。 “但如果柱頭沒有吸收管產生的揮發物，它也會更小。這就是器官間的交流。現在我們有了一個很好的標記——柱頭大小——來研究這種交流過程。”

這項科學研究的主要作者、普渡大學園藝和景觀設計專業的博士生香農·斯特林 (Shannon Stirling) 表示，根據照片進行的測量顯示，接觸揮發物后柱頭大小存在統計差異。 “你可以看到這是一個一致的趨勢，”她說。 “一旦你觀察了足夠多的柱頭，你就可以通過肉眼看到尺寸上的細微差別。”

結合對相關潛在蛋白質的基因操作，這項工作令人驚訝地揭示了類似 karrikin 的信號通路在矮牽牛細胞信號傳導中發揮著關鍵作用。

“卡里金不是由植物產生的，”斯特林說。 “它們是植物燃燒時產生的，而我們的植物從未暴露在煙霧或火中。”

該團隊還記錄了 karrikin 樣途徑在檢測揮發性倍半萜中的重要性。許多植物使用倍半萜烯來與其他植物進行交流以及其他功能。

令人驚訝的是，所鑒定的 karrikin 受體表現出選擇性感知來自一種倍半萜化合物的信號而不是其鏡像的能力，這種特性稱為“立體特異性”。研究合著者、普渡大學生物化學博士后研究員馬修·伯格曼(Matthew Bergman)表示，該受體似乎對該化合物具有高度選擇性。

“該植物產生許多不同的揮發性化合物，并暴露于許多其他化合物中，”伯格曼說。 “值得注意的是，這種受體對于從管子發送的信號具有獨特的選擇性和特異性。這種特殊性確保不會有其他易失信號通過。不存在虛假信號。”

對于斯特林來說，這項研究需要掌握一種艱苦的方法來暫時改變矮牽牛雌蕊的蛋白質水平，以識別信號受體蛋白質的相互作用。 “雌蕊和柱頭很小。由于體型較大，與它們合作有點困難，”她說。 “即使是為了獲得足夠的樣本而需要的柱頭數量也相當大，因為它們的重量并不重。”

這種方法包括將某種細菌注射到柱頭中以引入目標基因，然后分離所得蛋白質。

“操縱這么小的器官并不容易，”伯格曼指出。 “但是香農能夠用注射器輕輕刺破柱頭，并讓這種細菌如此微妙地滲透到其中。她是這方面的專家。”

矮牽牛通常顏色鮮艷、氣味芬芳，但普渡大學的科學家也很重視它們，因為它們是他們研究的豐富模型系統。

“到目前為止，事實證明他們取得了豐碩的成果，”伯格曼說。