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【科技日報】菟絲子“竊聽”寄主開花的秘密這樣揭開

文章來源:科技日報  |  發布時間:2020-09-01  |  作者:趙漢斌  |  浏覽次數:  |  【打印】 【關閉

 

  努力增加種子數量,隨著寄主開花的節拍開花,與寄主植物間有高度的物質交流…… 

  沒有葉子,沒有根的寄生植物菟絲子,有著強大的生命力。 

  近期,中國科學院昆明植物研究所吴建强研究团队利用遗传学和分子生物学技术,揭示了菟丝子非比寻常的开花调控机制,这对解析寄生植物的生理、生态和进化史具有重要意义。研究成果以《寄生植物菟丝子“窃听”寄主植物发出的FT信号而开花》为题,于北京时间9月1日凌晨发表在著名国际期刊《美国科学院院报》上。 

 

菟丝子于寄主同步开花。图片来源:中國科學院昆明植物研究所 郭晗研究员 

  紅薯的這個近親太特殊 

  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,所有營養和水分都通過吸器從寄主獲取。”昆明植物研究所功能基因組學與利用團隊帶頭人吳建強研究員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,所以它要依賴寄主從中獲得營養物質。這種神奇的植物可將自己的莖纏繞在寄主的莖上,並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以及次生代謝産物在寄主與菟絲子間交流。 

  此前,吳建強研究團隊曾發現菟絲子與寄主間存在大規模的蛋白質交流,以及茉莉酸信號途徑參與菟絲子與寄主的抗蟲信號交流、菟絲子能在寄主間轉運可移動系統性信號,從而影響寄主的耐鹽性等方面取得一系列的重要進展。 

  “菟絲子對農林園藝的影響比較大,它也是一種非常典型的寄生植物,有很多值得研究的生物學問題,因爲它太特殊了!”吳建強研究員說。 

 

菟丝子生长在寄主黄瓜上。图片来源:中國科學院昆明植物研究所 郭晗研究员 

  遺傳和分子生物學手段,解析菟絲子開花秘密 

  開花是高等植物繁衍後代、延續物種的重要生理過程。對絕大多數植物來說,在隨著季節性日照長短及溫度等變化等情況下,葉片是植物感受這些環境因子從而啓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麽實現開花呢?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鍾途徑、光周期途徑、春化途徑等關鍵基因,說明很可能菟絲子和普通自養型植物的開花機制非常不同。”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。 

  在众多被子植物的基因组中,FT基因编码的蛋白被称为成花素,在植物开花中起到非常重要的作用。在合适的条件下,植物叶片合成FT信号蛋白,而且FT能够从叶片长距离运输到顶端分生组织诱导开花。“我们从烟草入手,敲除了烟草基因组的FT基因,发现这些转基因烟草根本就不能开花,当然也没有种子;而寄生其上的菟丝子也不知所措,它也不开花,甚至比寄主死得更早。”吳建強研究員說。 

 

菟丝子的花。图片来源:中國科學院昆明植物研究所 

  團隊通過研究不同寄主植物,證實在我國廣泛分布的南方菟絲子在不同寄主植物上與寄主植物的開花時間保持高度一致,而且使用遺傳學方法,他們的研究揭示了寄主的FT基因表達是菟絲子開花必須的條件。 

  “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,而且在菟絲子不同的發育階段,都無法檢測到FT基因的表達。”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。該研究團隊的生化分析表明,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蛋白後,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後,還能與菟絲子中FD蛋白結合,形成蛋白複合體,從而啓動菟絲子中下遊開花基因的表達,使菟絲子開花,完成自己的生活史。 

 

菟丝子通过转运可移动信号,提高寄主植物的耐盐性。图片来源:中國科學院昆明植物研究所 

  “竊聽”高手與寄主“合拍”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,他們互相都能聽懂,但是這是植物之間的語言。作爲植物學家,我們想破譯寄主植物與寄生間的這種語言,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。”吳建強研究員說,他們現在還沒有完全破譯菟絲子給寄主哪些信號,但這已在研究課題範圍之內。 

 

采集于西藏乃东区结巴乡山坡锦鸡儿灌丛中的开花菟丝子标本。图片来源:中國科學院植物研究所标本馆 

  研究表明,菟絲子通過“竊聽”寄主植物的FT開花信號,從而能夠與不同寄主的開花時間保持一致。正是這種“隨遇而安”的開花行爲,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的營養,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,其生物量和種子産量會比與寄主同時開花的菟絲子小很多。”申國境說,他們此番研究,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産的影響比菟絲子要嚴重地多。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。”吳建強研究員說,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,對農業生産和植物生物學的研究也將有重要影響。 

  (科技日报微信公众号 2020年9月1日)

  來源:https://mp.weixin.qq.com/s/55VbQyQpGVOyOcbfPTVVhg 


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