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【云南網(wǎng)】【揭秘“云南省重點實驗室”】和“聰明的植物”打交道 文章來源: | 發(fā)布時間：2019-05-15 | 作者:楊萍，龍彥，劉暢 | 瀏覽次數(shù)： | 【打印】 【關閉】 “植物界的每一種植物都有一套巧妙的生存法則?！痹颇鲜∫吧Y源植物研發(fā)重點實驗室副主任吳建強說，"每一種植物都是非常有趣，也是很聰明的。如果能發(fā)現(xiàn)植物的生存法則，比如找到植物的抗旱性、耐高溫、耐寒性等特性的生理機制，對我們改造農(nóng)作物具有很大的幫助。” 4月，記者驅(qū)車一個小時來到云南省野生資源植物研發(fā)重點實驗室，揭秘這個隱藏在城市里的植物研究中心。 菟絲子和紅薯是近親？ 揭開寄生植物的“身世之謎” 在自然界中，絕大部分植物都是通過葉片光合作用、根部吸收水分及養(yǎng)分維持生存，這些植物被稱作“自養(yǎng)植物”。而自然界還存在一些植物，它們可以從另外的植物那里奪取營養(yǎng)，這類植物稱為“寄生植物”，它們通過被稱為“吸器”的器官從其他植物上獲取養(yǎng)分。人們常會看到一些淡黃色或淡綠色的藤狀植物，纏繞在其他植物上，這就是寄生植物中常見的“菟絲子”。
菟絲子 視頻截圖 經(jīng)過數(shù)千百萬年的進化，今天的菟絲子無根無葉，成為了一個徹頭徹尾的寄生習性的植物?！拜私z子的整個生命過程必須依賴寄主才能完成。”吳建強說，菟絲子與寄主接觸區(qū)長出大量獨特器官“吸器”，菟絲子將“吸器”插到寄主體內(nèi)，將其與寄主的維管束組織形成連接，從寄主獲取營養(yǎng)、水分等生長所需物質(zhì)，最終開花結(jié)果?！拜私z子就像一個吸血鬼一樣，非常貪婪，一旦吸器形成，就會不斷向上纏繞寄主汲取營養(yǎng)，就像指數(shù)增長似的越纏越多，最終變成一大叢。在有的地方，這是很嚴重的寄生性雜草，造成農(nóng)作物的嚴重減產(chǎn)。”吳建強說。
“菟絲子與我們吃的紅薯是近親，前者是菟絲子屬植物，后者是番薯屬植物，但它們同屬旋花科，它們共同的祖先生活在約3300萬年前，之后菟絲子開始快速進化，并經(jīng)歷了劇烈的基因丟失事件。”吳建強說，紅薯和菟絲子的植物形態(tài)差別很大，一個是自養(yǎng)型植物，一個卻是無根無葉的寄生植物，菟絲子到底是如何進化成現(xiàn)在的模樣？
吳建強向記者介紹菟絲子的神奇演化過程。視頻截圖 為了揭示這一神奇的演化過程，剛回國的吳建強博士就迫切地著手寄生植物的研究。那是2012年，吳建強剛從德國引進回國，而在此之前，吳建強師從世界著名的化學生態(tài)學家Ian Baldwin教授?！爱敃r，國內(nèi)沒有任何關于菟絲子方面的成功經(jīng)驗可以借鑒，一切都需要自己一點點摸索?！眳墙◤姼锌?，雖然幾乎是從零開始，但經(jīng)過幾年的努力，對研究進展也頗感欣慰。 “菟絲子最大的形態(tài)變化就是根和葉片全部退化消失?！眳墙◤娬f，“我們研究的重要課題就是菟絲子是如何進化成現(xiàn)在這樣一個無根無葉的寄生植物？其生長發(fā)育的機理又是如何？”這些問題的研究對于闡明寄生植物的進化具有重大的理論意義，除此之外，也能為寄生植物的防治提供重要的思路。
鉆堅研微，潛精研思。歷時一年半時間，吳建強團隊終于成功破譯了南方菟絲子的全基因組密碼，初步揭開了寄生植物起源和演化的“身世”。
吳建強解釋到，結(jié)合基因組系統(tǒng)發(fā)育分析與共線性分析，發(fā)現(xiàn)菟絲子屬與番薯屬植物的共同祖先在約7100萬年前分化前經(jīng)歷了一次全基因組三倍化加倍事件，大約在3100萬年前菟絲子屬與番薯屬的共同祖先發(fā)生了物種分化，產(chǎn)生了菟絲子屬的祖先，之后菟絲子經(jīng)歷了快速進化以及大規(guī)模的基因丟失?！皝G失的基因大部分與光合作用、根和葉的功能與發(fā)育、開花決定基因、植物抵御逆境與脅迫和基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等相關。這些基因在自養(yǎng)植物中是非常重要的，沒有這些基因，自養(yǎng)植物是無法生存的。我們認為，在菟絲子中的基因丟失事件很可能和它的根葉的退化相關。” 菟絲子傳遞“蟲來了”信號？ 寄主建立抗蟲防御“聯(lián)盟” “近來研究表明，菟絲子除了水分和營養(yǎng)物質(zhì)，還有很多物質(zhì)能夠在菟絲子和寄主之間運輸，比如蛋白質(zhì)、次生代謝物等?！眳墙◤娬f到，那么像“電話線”一樣的菟絲子是如何在不同寄主之間“信息交流”的呢？ 2017年，吳建強課題組發(fā)表論文創(chuàng)新性地提出了“菟絲子及其連接的不同寄主形成微群落”這一嶄新概念，他們研究發(fā)現(xiàn)在這種微群落中，菟絲子能在不同寄主植物間傳遞帶有生態(tài)學效應的抗蟲系統(tǒng)性信號。
“菟絲子就像一根‘電話線’，將抗蟲信號傳遞給寄主。視頻截圖 吳建強解釋說，他們利用菟絲子將不同寄主植物進行了連接，當其中一株寄主植物做昆蟲取食后，這個被取食葉片能夠產(chǎn)生了某種抗蟲信號，這些信號能夠被運輸?shù)奖焕ハx取食植物的其他部分并進而誘導抗蟲響應?！案匾氖?，系統(tǒng)性信號能夠通過菟絲子傳遞到微群落中的其他寄主植物，從而使這些植物產(chǎn)生基因表達的變化及代謝物響應并提高其抗蟲性。同時，菟絲子傳導的抗蟲系統(tǒng)信號和傳播速度非?？?，大約1厘米/分鐘，傳遞距離可以超過1米?！?/span>
五年的菟絲子研究，吳建強帶領團隊打破寄生植物對寄主有百害而無一利的觀念：菟絲子在某些條件下可以幫助不同寄主之間建立起抗蟲防御的“聯(lián)盟”。該研究不僅對于了解抗蟲系統(tǒng)性信號有重要意義，也對農(nóng)業(yè)治理寄生植物危害提供了新的啟示。
“菟絲子就像一根‘電話線’，將抗蟲信號傳遞給寄主，通知寄主生產(chǎn)抗蟲的‘化學武器’，準備作戰(zhàn)?！眳墙◤娬f到，通過研究發(fā)現(xiàn)，菟絲子有一些細胞專門從事運輸工作，將信號從這些細胞傳輸過去，提前給寄主通風報信，告訴“蟲來了”信號。 “植物是很聰明的，就像工廠一樣，沒有訂單它是不會生產(chǎn)抗蟲化合物的，一旦受到昆蟲取食，這就相當于接到了訂單，才會開工生產(chǎn)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品就可以用來抗蟲?！眳墙◤娬f，“我們當時主要研究集中在上游的信號傳導，從哨兵到它的下一級、再下一級等，它們是怎么互相通知對方，一級和一級進行配合來調(diào)動化學工廠開工?！?/p>
吳建強和其團隊還在開展玉米如何抵御昆蟲取食的研究。視頻截圖 目前，吳建強和其團隊還在開展玉米如何抵御昆蟲取食的研究。“通過在玉米里尋找玉米抗蟲基因，有可能為我們將來通過分子育種以及其他方式提高玉米的抗蟲能力?！眳墙◤娬f，“首先要了解玉米受到昆蟲取食的時候如何響應？玉米體內(nèi)產(chǎn)生何種變化？不同玉米的抗蟲性之間的區(qū)別是什么？“
“實驗室正在找一些‘信號通路’，就像人一樣在感冒時自身的抗病信號會被激活，調(diào)動抗體等抵抗病菌?！眳墙◤姼嬖V記者，玉米也是一樣，在昆蟲取食時，玉米會有大量抗蟲信號被激活，合成對昆蟲有毒的化合物進行御敵?！爸参锬軌蜃⒅毓?jié)省能量和物質(zhì)，平時不會輕易合成這些抗蟲化合物，只有遭遇襲擊時，才會合成化合物抵御昆蟲?！?/span> 與科學家聊一聊
吳建強 視頻截圖
“斯文”“嚴謹”，這是記者初見吳建強的第一印象。 剛剛踏入?yún)墙◤姷霓k公室，就看到書柜上貼著學生們的送的生日賀卡，賀卡的字里行間透露著對吳建強的尊重與喜愛?！拔移綍r經(jīng)常和學生們在一起談科研進展，談科研方法，一起討論問題，一起研究數(shù)據(jù)?！眳墙◤娦χf到。 “科學研究的本質(zhì)就是揭示我們自然世界的本質(zhì)，當你發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象并且通過科學的手段去揭示了這種現(xiàn)象背后的機理機制時，那種激動是無與倫比的，能讓你欣喜若狂。”吳建強說到，“對我個人來說，科研的快樂要多于它的枯燥的一面，所以做科研對我而言是一件很快樂的事情?！?/span> 在回國之前，吳建強在德國馬普化學生態(tài)學研究所學習工作了11年，一直從事植物昆蟲互作的研究，屬于化學生態(tài)學范疇。多年的研究經(jīng)歷使得他對植物和昆蟲有著天然的親近感。 普通人看到一株植物的第一反應只是好看與否？但在吳建強眼里，第一反應卻是看看植物上有沒有蟲子在吃它，運氣好的話，還能抓個現(xiàn)行。與植物和昆蟲打交道十幾年，這些都已變成吳建強的本能反應了。 “現(xiàn)在野外還有很多沒有發(fā)現(xiàn)的昆蟲和植物間的相互作用方式，我們要加快科學研究，揭秘這些‘聰明的’動植物，”吳建強說，“找到植物的生存法則，既能讓我們了解這個世界，也對我們保護自然和改造農(nóng)作物也有很大的幫助?！?/span> 實驗室名片
云南省野生資源植物研發(fā)重點實驗室。視頻截圖 云南省野生資源植物研發(fā)重點實驗室于2015年成立，實驗室立足西南豐富的野生植物資源為研究對象，系統(tǒng)開展云南特色野生資源植物及其重要功能基因的應用基礎研究與研發(fā)。
實驗室重點研究云南特色的觀賞植物、食用植物和生態(tài)修復植物，定向選育有重要經(jīng)濟價值的新品種（品系），攻關規(guī)?；a(chǎn)關鍵技術(shù)，解決發(fā)展特色生物產(chǎn)業(yè)在野生資源植物發(fā)掘與利用方面的重大科學問題，支撐國家農(nóng)林和生態(tài)文明建設的重大需求。 近三年來，實驗室新增科研項目132項，其中國家級科研項目69項，省部級科研項目31項，橫向課題32項，新爭取科研經(jīng)費6989.34萬元。 （云南網(wǎng) 2019年5月13日） |
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