普渡大学领导的研究小组已经开始翻译矮牵牛复杂的分子语言。然而，它们的语法和词汇被很好地隐藏在充满花细胞的无数蛋白质和其他化合物中。

植物扎根于地面，无法逃避昆虫、病原体或其他对其生存的威胁。但植物科学家早就知道，它们确实通过称为挥发性有机化合物的气味化学物质向彼此发出警告。

“它们使用挥发物是因为它们不会说话，” 普渡大学生物化学 、 园艺和景观建筑学杰出教授 纳塔莉亚·杜达雷娃 (Natalia Dudareva)说。 “植物向邻近的植物通报病原体的攻击。它看起来几乎就像免疫接种一样。在正常情况下，您不会看到接收设备发生任何变化。但一旦接收植物被感染，它的反应就会更快。它已准备好做出回应。”

植物科学家很早就知道这种类似免疫的启动作用，但直到几年前，他们还没有办法研究这个过程。他们需要一个标记来表明植物已检测到挥发性化合物。

Dudareva 和 13 位合著者 在 2024 年 3 月 22 日出版的《科学》 杂志上描述了检测过程的新细节。该团队包括来自普渡大学、法国圣艾蒂安大学和加州大学戴维斯分校的研究人员。

科学家对挥发物的植物受体知之甚少。杜达雷娃说，哺乳动物和昆虫也有挥发物，但它们感知挥发物的方式差异太大，无法帮助研究人员研究植物中的这一过程。

由普渡大学科学家领导的一个研究小组记录了有关矮牵牛如何利用挥发性有机化合物进行交流的新细节。

2019 年，杜达雷娃和她的同事在《自然化学生物学》杂志上发表了他们对一种新生理过程的发现， “自然熏蒸是花器官之间挥发性物质传输的机制”。 该研究描述了植物的花管如何产生挥发性化合物来消毒其柱头(雌蕊中收集花粉的部分)，以防止病原体的攻击。

“柱头上有很多糖，尤其是矮牵牛。这意味着在没有这些挥发物存在的情况下，细菌也会生长得很好，”杜达雷娃说。 “但如果柱头没有吸收管产生的挥发物，它也会更小。这就是器官间的交流。现在我们有了一个很好的标记——柱头大小——来研究这种交流过程。”

这项科学研究的主要作者、普渡大学园艺和景观设计专业的博士生香农·斯特林 (Shannon Stirling) 表示，根据照片进行的测量显示，接触挥发物后柱头大小存在统计差异。 “你可以看到这是一个一致的趋势，”她说。 “一旦你观察了足够多的柱头，你就可以通过肉眼看到尺寸上的细微差别。”

结合对相关潜在蛋白质的基因操作，这项工作令人惊讶地揭示了类似 karrikin 的信号通路在矮牵牛细胞信号传导中发挥着关键作用。

“卡里金不是由植物产生的，”斯特林说。 “它们是植物燃烧时产生的，而我们的植物从未暴露在烟雾或火中。”

该团队还记录了 karrikin 样途径在检测挥发性倍半萜中的重要性。许多植物使用倍半萜烯来与其他植物进行交流以及其他功能。

令人惊讶的是，所鉴定的 karrikin 受体表现出选择性感知来自一种倍半萜化合物的信号而不是其镜像的能力，这种特性称为“立体特异性”。研究合著者、普渡大学生物化学博士后研究员马修·伯格曼(Matthew Bergman)表示，该受体似乎对该化合物具有高度选择性。

“该植物产生许多不同的挥发性化合物，并暴露于许多其他化合物中，”伯格曼说。 “值得注意的是，这种受体对于从管子发送的信号具有独特的选择性和特异性。这种特殊性确保不会有其他易失信号通过。不存在虚假信号。”

对于斯特林来说，这项研究需要掌握一种艰苦的方法来暂时改变矮牵牛雌蕊的蛋白质水平，以识别信号受体蛋白质的相互作用。 “雌蕊和柱头很小。由于体型较大，与它们合作有点困难，”她说。 “即使是为了获得足够的样本而需要的柱头数量也相当大，因为它们的重量并不重。”

这种方法包括将某种细菌注射到柱头中以引入目标基因，然后分离所得蛋白质。

“操纵这么小的器官并不容易，”伯格曼指出。 “但是香农能够用注射器轻轻刺破柱头，并让这种细菌如此微妙地渗透到其中。她是这方面的专家。”

矮牵牛通常颜色鲜艳、气味芬芳，但普渡大学的科学家也很重视它们，因为它们是他们研究的丰富模型系统。

“到目前为止，事实证明他们取得了丰硕的成果，”伯格曼说。