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【科技日?qǐng)?bào)】菟絲子“竊聽(tīng)”寄主開(kāi)花的秘密這樣揭開(kāi) 文章來(lái)源:科技日?qǐng)?bào) | 發(fā)布時(shí)間：2020-09-01 | 作者:趙漢斌 | 瀏覽次數(shù)： | 【打印】 【關(guān)閉】 努力增加種子數(shù)量，隨著寄主開(kāi)花的節(jié)拍開(kāi)花，與寄主植物間有高度的物質(zhì)交流…… 沒(méi)有葉子，沒(méi)有根的寄生植物菟絲子，有著強(qiáng)大的生命力。 近期，中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所吳建強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)利用遺傳學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)，揭示了菟絲子非比尋常的開(kāi)花調(diào)控機(jī)制，這對(duì)解析寄生植物的生理、生態(tài)和進(jìn)化史具有重要意義。研究成果以《寄生植物菟絲子“竊聽(tīng)”寄主植物發(fā)出的FT信號(hào)而開(kāi)花》為題，于北京時(shí)間9月1日凌晨發(fā)表在著名國(guó)際期刊《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》上。
菟絲子于寄主同步開(kāi)花。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所 郭晗研究員 紅薯的這個(gè)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(jiàn)的寄生植物包括列當(dāng)、獨(dú)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(yíng)養(yǎng)和水分都通過(guò)吸器從寄主獲取?！崩ッ髦参镅芯克δ芑蚪M學(xué)與利用團(tuán)隊(duì)帶頭人吳建強(qiáng)研究員向科技日?qǐng)?bào)記者介紹，菟絲子屬于旋花科菟絲子屬植物，約200個(gè)種，是人們經(jīng)常食用的紅薯的近親。 在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。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(nèi)，與寄主的木質(zhì)部和韌皮部相連，從而與寄主建立維管束的聯(lián)系，獲得水分和生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)病毒、DNA、RNA以及次生代謝產(chǎn)物在寄主與菟絲子間交流。 此前，吳建強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)曾發(fā)現(xiàn)菟絲子與寄主間存在大規(guī)模的蛋白質(zhì)交流，以及茉莉酸信號(hào)途徑參與菟絲子與寄主的抗蟲(chóng)信號(hào)交流、菟絲子能在寄主間轉(zhuǎn)運(yùn)可移動(dòng)系統(tǒng)性信號(hào)，從而影響寄主的耐鹽性等方面取得一系列的重要進(jìn)展。 “菟絲子對(duì)農(nóng)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(xué)問(wèn)題，因?yàn)樗厥饬耍 ?/span>吳建強(qiáng)研究員說(shuō)。
菟絲子生長(zhǎng)在寄主黃瓜上。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所 郭晗研究員 遺傳和分子生物學(xué)手段，解析菟絲子開(kāi)花秘密 開(kāi)花是高等植物繁衍后代、延續(xù)物種的重要生理過(guò)程。對(duì)絕大多數(shù)植物來(lái)說(shuō)，在隨著季節(jié)性日照長(zhǎng)短及溫度等變化等情況下，葉片是植物感受這些環(huán)境因子從而啟動(dòng)開(kāi)花程序的重要器官，但沒(méi)有葉片，甚至沒(méi)有光合作用的菟絲子是怎么實(shí)現(xiàn)開(kāi)花呢？近期，吳建強(qiáng)團(tuán)隊(duì)從分子層面解析了菟絲子開(kāi)花的分子機(jī)制。 “前期的研究表明，菟絲子基因組發(fā)生了大量的基因丟失，包括調(diào)控植物開(kāi)花相關(guān)的生物鐘途徑、光周期途徑、春化途徑等關(guān)鍵基因，說(shuō)明很可能菟絲子和普通自養(yǎng)型植物的開(kāi)花機(jī)制非常不同?！闭撐牡谝蛔髡?、昆明植物研究所助理研究員申國(guó)境介紹，早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)的研究者就發(fā)現(xiàn)，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(kāi)花時(shí)間。 在眾多被子植物的基因組中，F(xiàn)T基因編碼的蛋白被稱為成花素，在植物開(kāi)花中起到非常重要的作用。在合適的條件下，植物葉片合成FT信號(hào)蛋白，而且FT能夠從葉片長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)巾敹朔稚M織誘導(dǎo)開(kāi)花。“我們從煙草入手，敲除了煙草基因組的FT基因，發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)基因煙草根本就不能開(kāi)花，當(dāng)然也沒(méi)有種子；而寄生其上的菟絲子也不知所措，它也不開(kāi)花，甚至比寄主死得更早。”吳建強(qiáng)研究員說(shuō)。
菟絲子的花。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所 團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究不同寄主植物，證實(shí)在我國(guó)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(kāi)花時(shí)間保持高度一致，而且使用遺傳學(xué)方法，他們的研究揭示了寄主的FT基因表達(dá)是菟絲子開(kāi)花必須的條件。 “通過(guò)分析南方菟絲子中的FT基因結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)菟絲子的FT基因發(fā)生了較大的變異，而且在菟絲子不同的發(fā)育階段，都無(wú)法檢測(cè)到FT基因的表達(dá)?！鄙陣?guó)境說(shuō)，他們把南方菟絲子的FT基因遺傳轉(zhuǎn)化到模式植物擬南芥中，發(fā)現(xiàn)其不能誘導(dǎo)擬南芥提前開(kāi)花，表明南方菟絲子自己的FT基因可能演化成了一個(gè)沒(méi)有功能的假基因。該研究團(tuán)隊(duì)的生化分析表明，當(dāng)轉(zhuǎn)基因煙草中表達(dá)帶有綠色熒光蛋白GFP標(biāo)簽的擬南芥FT蛋白后，能夠在菟絲子中檢測(cè)到從煙草移動(dòng)到菟絲子的FT-GFP蛋白。 此外，研究人員通過(guò)蛋白質(zhì)組分析，發(fā)現(xiàn)大豆寄主的FT蛋白也能夠轉(zhuǎn)運(yùn)到菟絲子中。非常有趣的是，寄主的FT蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到菟絲子中后，還能與菟絲子中FD蛋白結(jié)合，形成蛋白復(fù)合體，從而啟動(dòng)菟絲子中下游開(kāi)花基因的表達(dá)，使菟絲子開(kāi)花，完成自己的生活史。
菟絲子通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)可移動(dòng)信號(hào)，提高寄主植物的耐鹽性。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所 “竊聽(tīng)”高手與寄主“合拍”開(kāi)花 寄生植物和寄主間的對(duì)話和信號(hào)交流無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生。 “這就如同兩個(gè)人在說(shuō)話，他們互相都能聽(tīng)懂，但是這是植物之間的語(yǔ)言。作為植物學(xué)家，我們想破譯寄主植物與寄生間的這種語(yǔ)言，寄主的FT蛋白就是一個(gè)非常美妙的信號(hào)，它可以從寄主移動(dòng)到菟絲子，從而告知菟絲子‘寄主將要開(kāi)花’這個(gè)重要信息?！眳墙◤?qiáng)研究員說(shuō)，他們現(xiàn)在還沒(méi)有完全破譯菟絲子給寄主哪些信號(hào)，但這已在研究課題范圍之內(nèi)。
采集于西藏乃東區(qū)結(jié)巴鄉(xiāng)山坡錦雞兒灌叢中的開(kāi)花菟絲子標(biāo)本。圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院植物研究所標(biāo)本館 研究表明，菟絲子通過(guò)“竊聽(tīng)”寄主植物的FT開(kāi)花信號(hào)，從而能夠與不同寄主的開(kāi)花時(shí)間保持一致。正是這種“隨遇而安”的開(kāi)花行為，使菟絲子能夠適應(yīng)非常廣泛的寄主植物。 “如果菟絲子有固定的開(kāi)花時(shí)間，但在它比寄主開(kāi)花過(guò)晚的情況下，很難從已經(jīng)開(kāi)花甚至結(jié)種的寄主身上獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)，甚至寄主可能會(huì)在菟絲子開(kāi)花前死亡；而在菟絲子比寄主開(kāi)花過(guò)早的情況下，其生物量和種子產(chǎn)量會(huì)比與寄主同時(shí)開(kāi)花的菟絲子小很多?！鄙陣?guó)境說(shuō)，他們此番研究，就是重點(diǎn)“破譯”菟絲子的“竊聽(tīng)”技術(shù)，以及這種技術(shù)給它的生存繁衍帶來(lái)哪些作用。 “要知道，同是寄生植物的列當(dāng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響比菟絲子要嚴(yán)重地多?；谶@項(xiàng)成果，我們目前已在關(guān)注它與寄主之間有沒(méi)有類似的開(kāi)花信號(hào)‘竊聽(tīng)’現(xiàn)象?！眳墙◤?qiáng)研究員說(shuō)，如果搞清楚這個(gè)問(wèn)題，對(duì)列當(dāng)?shù)燃纳参锏姆乐位驅(qū)⑻峁┙梃b，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植物生物學(xué)的研究也將有重要影響。 ?。萍既?qǐng)?bào)微信公眾號(hào) 2020年9月1日） |
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