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沒有葉子沒有根 菟絲子開花全靠“竊聽”
發布時間:2020-09-10     作者:   來源:科技日報   分享到:

努力增加種子數量,隨著寄主開花的節奏開花,與寄主植物間有高頻物質交流……沒有葉子、沒有根的寄生植物菟絲子,卻有著強大的生命力。

近期,中科院昆明植物研究所(以下簡稱昆明植物所)吳建強研究團隊利用遺傳學和分子生物學技術,揭示了菟絲子非比尋常的開花調控機制,這對解析寄生植物的生理、生態和進化史具有重要意義。相關研究成果于北京時間9月1日凌晨發表在美國《國家科學院院刊》。

從寄主獲得營養物質

在自然界中,寄生植物約有4000至5000種,約占被子植物的1%。人們常見的寄生植物包括列當、獨腳金、槲寄生和桑寄生植物以及菟絲子等。

“菟絲子是一種典型的莖寄生植物,所有營養和水分都從寄主獲取。”吳建強向科技日報記者介紹,菟絲子屬于旋花科菟絲子屬植物,約200個種,是人們經常食用的紅薯的近親。

在漫長的進化過程中,菟絲子的根和葉片完全退化,光合作用能力非常微弱甚至完全失去,所以它要依賴寄主獲得營養物質。這種神奇的植物可將自己的莖纏繞在寄主的莖上,并生出牢固的吸器侵入到寄主體內,與寄主的木質部和韌皮部相連,從而與寄主建立維管束的聯系,獲得水分和生長所需的營養物質;同時實現病毒、DNA、RNA以及次生代謝產物在寄主與菟絲子間交流。

FT蛋白啟動開花程序

開花是高等植物繁衍后代、延續物種的重要生理過程。對絕大多數植物來說,在季節性日照長短及溫度變化等情況下,葉片是植物感受這些環境因子從而啟動開花程序的重要器官,但沒有葉片,甚至沒有光合作用的菟絲子是怎么實現開花的呢?近期,吳建強團隊從分子層面解析了菟絲子開花的分子機制。

“前期的研究表明,菟絲子基因組發生了大量的基因丟失,包括調控植物開花相關的生物鐘途徑、光周期途徑、春化途徑等關鍵基因,發現菟絲子和普通自養型植物的開花機制可能不同。”論文第一作者、昆明植物研究所助理研究員申國境介紹,早在20世紀60年代,美國的研究者就發現,廣泛分布的田野菟絲子在不同條件下,總和寄主保持一致的開花時間。

在眾多被子植物的基因組中,FT基因編碼的蛋白(FT蛋白)被稱為成花素,在植物開花中起重要作用。在合適的條件下,植物葉片合成FT蛋白,而且FT蛋白能夠從葉片長距離運輸到頂端分生組織誘導開花。“我們從煙草入手,敲除了煙草基因組的FT基因,發現這些轉基因煙草根本就不能開花,當然也沒有種子;而寄生其上的菟絲子也不知所措,它不開花,甚至比寄主死得更早。”吳建強說。

遺傳學研究揭示寄主的FT基因表達是菟絲子開花的必須條件。“通過分析南方菟絲子中的FT基因結構,我們發現菟絲子的FT基因發生了較大的變異,而且在菟絲子不同發育階段都無法檢測到FT基因。”申國境說,他們把南方菟絲子的FT基因遺傳轉化到模式植物擬南芥中,發現其不能誘導擬南芥提前開花,表明南方菟絲子自己的FT基因可能演化成了一個沒有功能的假基因。進一步生化分析表明,當轉基因煙草中表達帶有綠色熒光蛋白GFP標簽的擬南芥FT蛋白后,能夠在菟絲子中檢測到從煙草移動到菟絲子的FT-GFP蛋白。

此外,研究人員通過蛋白質組分析,發現大豆寄主的FT蛋白也能夠轉運到菟絲子中。非常有趣的是,寄主的FT蛋白轉運到菟絲子中后,還能與菟絲子中FD蛋白結合,形成蛋白復合體,從而啟動菟絲子中下游開花基因的表達,使菟絲子開花。

“竊聽”高手與寄主同步開花

寄生植物和寄主間的對話和信號交流無時無刻不在發生。“這就如同兩個人在說話,它們互相都能聽懂。而寄主的FT蛋白就是一個非常美妙的信號,它可以從寄主移動到菟絲子,從而告知菟絲子‘寄主將要開花’這個重要信息。”吳建強說。

研究表明,菟絲子通過“竊聽”寄主植物的FT開花信號,從而與不同寄主的開花時間保持一致。正是這種“隨遇而安”的開花行為,使菟絲子能夠適應非常廣泛的寄主植物。

“如果菟絲子有固定的開花時間,但在它比寄主開花過晚的情況下,很難從已經開花甚至結種的寄主身上獲得足夠營養,甚至寄主可能會在菟絲子開花前死亡;而在菟絲子比寄主開花過早的情況下,其生物量和種子產量會比與寄主同時開花的菟絲子小很多。”申國境說,此次研究就是重點“破譯”菟絲子的“竊聽”技術,以及這種技術給它的生存繁衍帶來哪些作用。

“要知道,同是寄生植物的列當對農業生產的影響比菟絲子要嚴重得多。基于這項成果,我們目前已在關注它與寄主之間有沒有類似的開花信號‘竊聽’現象。”吳建強說,如果搞清楚這個問題,對列當等寄生植物的防治或將提供借鑒,對農業生產和植物生物學的研究也將有重要影響。

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