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香蕉一直处在灭绝的边缘,但这项古老技术有望拯救它们

时间: 2021年12月29日 | 作者: admin | 来源: 科研圈
全世界的香蕉植株遗传基因非常单一,一旦暴发真菌感染,很容易导致“团灭”。不过最近,英国剑桥大学研究团队改进了古老的嫁接技术,有望提升香蕉等农作物的遗传多样性。


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编译 戚译引


每家水果店都能买到的香蕉,其实长期以来面临着灭绝的危机。这是因为全世界的香蕉植株遗传基因非常单一,一旦暴发真菌感染,很容易导致“团灭”。不过最近,英国剑桥大学研究团队(University of Cambridge)改进了古老的嫁接技术,有望提升香蕉等农作物的遗传多样性,这项研究近日在《自然》Nature发表。




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你吃的每一根进口香蕉,几乎都可以追溯到同一个祖先,那就是英国德文郡(Devonshire)一座庄园里的香蕉树。


1870 年,园艺师 Joseph Paxton 得到了一棵从毛里求斯运来的香蕉,把它种在查茨沃斯庄园(Chatsworth house)。他用他的雇主、庄园主德文郡公爵夫妇的名字,将这株香蕉命名为卡文迪许香蕉(Cavendish banana)


Paxton 对这株香蕉精心呵护,因为担心它不适应英国的气候,他设法将它周围的环境维持在 18~30 摄氏度。五年后,这株香蕉终于开花,结出上百根香蕉。伴随着当时英国的殖民扩张,这株香蕉的幼苗又被传教士们带到了太平洋地区,逐渐扩散到世界各地。

在当时,世界上最流行的香蕉是大米七香蕉(Gros Michel)。直到 20 世纪 50 年代,一场香蕉枯萎病(banana wilt)对香蕉产业造成了重大打击。这种疾病由一种镰刀菌Fusarium oxysporum f.sp. cubense引起,而卡文迪许香蕉对当时流行的菌株 TR1 免疫,因而迅速成为主流的香蕉品种。如今,全世界种植的香蕉里约 47% 为卡文迪许香蕉,占据香蕉海运贸易的 99%(这个品种非常适应长途运输)。




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曾帮助卡文迪许香蕉崛起的真菌,也随时可能扼杀它。遗传多样性的高度匮乏使得香蕉这个物种非常脆弱。卡文迪许香蕉和其他许多商业化的品种都是不育的。过去的农民使用扦插香蕉苗的方式繁殖,现代农业中也经常使用组织培养技术,这两种方法本质上就是克隆,每一棵香蕉苗的基因都完全相同。也就是说一旦爆发病害,就可能导致一个品种的香蕉“团灭”,就像当年的大米七香蕉那样。


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图片来源:Pixabay


在半个世纪的时间里,镰刀菌已经演化出新的菌株 TR4,能够杀死卡文迪许香蕉。这种真菌通过被污染的土壤、水源和种植材料传播,可以在土壤中存活长达三十年,目前仍未找到完全消灭它的方法。2019 年,TR4 在拉丁美洲及加勒比地区暴发,这是全世界重要的香蕉产区。科学家预测,如果不能找到帮助卡文迪许香蕉抵御枯萎病的方法,这个品种可能在未来几十年灭绝。


祸不单行,香蕉还面临着一种新的病原体的威胁。近期一项研究报告,香蕉血液病(Banana Blood disease)正在东南亚地区蔓延。这种疾病由蒲桃雷尔氏菌Ralstonia syzygii引起,患病的香蕉果肉腐烂,变成深色,看起来就好像出血一样。该研究作者测试了包括卡文迪许香蕉在内的 18 个常见品种,发现它们全都对这种疾病易感。


为了保护香蕉,科学家们一边努力控制疾病蔓延,一边寻找能够提升香蕉抗病性的方法。近期,来自英国剑桥大学的研究团队发明了一项突破性技术,第一次实现了单子叶植物的嫁接。这种方法不仅有望应用于香蕉,还可以用于小麦、水稻等广泛种植的农作物。




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嫁接技术有着悠久的历史,被广泛应用于园艺和农业中。假设你有一棵品种优良的苹果树,想要培育出更多这样的树,可以选取它带芽的枝条(接穗),将其嵌入一棵同种或近似种幼苗(砧木)上的切口,使得两者的维管、生长组织刚好对齐。经过一段时间的生长,接口愈合,植物就会长成一棵同样优良的苹果树,尽管它的根部来自另一棵植株。


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图片来源:Pixabay


但是,嫁接技术一直不适用于像香蕉这样的单子叶植物,因为它们缺乏维管形成层(vascular cambium)。这是树皮(韧皮部)内侧的一层结构,在嫁接过程中,维管形成层的生长让两个植株真正融合到一起,实现营养物质交换,让植株成活。


剑桥大学的研究人员发现,在单子叶植物种子发育的早期阶段,分别取它们的根和芽组织,在下胚轴位置实施嫁接,就能有效融合。该技术对一系列单子叶作物植物有效,包括菠萝、香蕉、洋葱、龙舌兰和枣椰树。实验证明,将荧光染料注入植物根部,可以看到它向上移动并穿过嫁接部位。


这个技术听起来并不复杂,但研究团队需要对抗这个领域里根深蒂固的成见。“我回顾了过去几十年关于嫁接的研究论文,每个人都说它不能用于单子叶植物。我很固执地坚持下去,坚持了很多年,直到我证明他们是错的,”剑桥大学植物科学系学者、盖茨剑桥奖学金获得者(Gates Cambridge Scholar)、该论文的第一作者 Greg Reeves 博士说。


“我们实现了每个人都认为不可能的事情。胚胎组织嫁接在一系列类似物种中具有真正的潜力。我们还发现,即使是在演化上相隔较远的物种,它们也是嫁接相容的,”该研究资深作者、剑桥大学植物科学系的 Julian Hibberd 教授说。


全世界有大约 6 万种单子叶植物,其中许多是重要的农业作物,如水稻、小麦、大麦。这一最新技术有助于改良植物品种,例如培育矮化植物,提升对土壤传播病菌的抵抗力,或提升在恶劣环境条件下生长的能力。


Reeves 补充说:“使重要的粮食作物能够对抗正在摧毁它们的疾病,这是一项紧迫的挑战。我们的技术能够直接提升植物抗病性,或者耐盐碱等其他有益的特性,而不需要借助基因改造或长时间的育种计划。”


研究人员已通过剑桥企业(Cambridge Enterprise)为他们的嫁接技术申请了专利,或许在不久的将来就能在农业中得到应用。


论文信息

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


参考来源:

https://www.bbc.com/news/uk-england-35131751 
https://www.eurekalert.org/news-releases/938393 
https://www.fao.org/news/story/zh/item/1237499/icode/ 
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02770-7 
https://phys.org/news/2021-12-mainland-malaysia-banana-blood-disease.html 
https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/PDIS-01-21-0149-RE