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努力增加种子数量，随着寄主开花的节拍开花，与寄主植物间有高度的物质交流…… 没有叶子，没有根的寄生植物菟丝子，有着强大的生命力。 近期，中国科学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：中国科学院昆明植物研究所 郭晗研究员 红薯的这个近亲太特殊 在自然界中，寄生植物约有4000至5000种，约占被子植物的1%。人们常见的寄生植物包括列当、独脚金、槲寄生和桑寄生植物以及菟丝子等。 “菟丝子是一种典型的茎寄生植物，所有营养和水分都通过吸器从寄主获取。”昆明植物研究所功能基因组学与利用团队带头人吴建强研究员向科技日报记者介绍，菟丝子属于旋花科菟丝子属植物，约200个种，是人们经常食用的红薯的近亲。 在漫长的进化过程中，菟丝子的根和叶片完全退化，光合作用能力非常微弱甚至完全失去，所以它要依赖寄主从中获得营养物质。这种神奇的植物可将自己的茎缠绕在寄主的茎上，并生出牢固的吸器侵入到寄主体内，与寄主的木质部和韧皮部相连，从而与寄主建立维管束的联系，获得水分和生长所需的营养物质；同时实现病毒、DNA、RNA以及次生代谢产物在寄主与菟丝子间交流。 此前，吴建强研究团队曾发现菟丝子与寄主间存在大规模的蛋白质交流，以及茉莉酸信号途径参与菟丝子与寄主的抗虫信号交流、菟丝子能在寄主间转运可移动系统性信号，从而影响寄主的耐盐性等方面取得一系列的重要进展。 “菟丝子对农林园艺的影响比较大，它也是一种非常典型的寄生植物，有很多值得研究的生物学问题，因为它太特殊了！”吴建强研究员说。
菟丝子生长在寄主黄瓜上。图片来源：中国科学院昆明植物研究所 郭晗研究员 遗传和分子生物学手段，解析菟丝子开花秘密 开花是高等植物繁衍后代、延续物种的重要生理过程。对绝大多数植物来说，在随着季节性日照长短及温度等变化等情况下，叶片是植物感受这些环境因子从而启动开花程序的重要器官，但没有叶片，甚至没有光合作用的菟丝子是怎么实现开花呢？近期，吴建强团队从分子层面解析了菟丝子开花的分子机制。 “前期的研究表明，菟丝子基因组发生了大量的基因丢失，包括调控植物开花相关的生物钟途径、光周期途径、春化途径等关键基因，说明很可能菟丝子和普通自养型植物的开花机制非常不同。”论文第一作者、昆明植物研究所助理研究员申国境介绍，早在20世纪60年代，美国的研究者就发现，广泛分布的田野菟丝子在不同条件下，总和寄主保持一致的开花时间。 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。”吴建强研究员说。
菟丝子的花。图片来源：中国科学院昆明植物研究所 团队通过研究不同寄主植物，证实在我国广泛分布的南方菟丝子在不同寄主植物上与寄主植物的开花时间保持高度一致，而且使用遗传学方法，他们的研究揭示了寄主的FT基因表达是菟丝子开花必须的条件。 “通过分析南方菟丝子中的FT基因结构，我们发现菟丝子的FT基因发生了较大的变异，而且在菟丝子不同的发育阶段，都无法检测到FT基因的表达。”申国境说，他们把南方菟丝子的FT基因遗传转化到模式植物拟南芥中，发现其不能诱导拟南芥提前开花，表明南方菟丝子自己的FT基因可能演化成了一个没有功能的假基因。该研究团队的生化分析表明，当转基因烟草中表达带有绿色荧光蛋白GFP标签的拟南芥FT蛋白后，能够在菟丝子中检测到从烟草移动到菟丝子的FT-GFP蛋白。 此外，研究人员通过蛋白质组分析，发现大豆寄主的FT蛋白也能够转运到菟丝子中。非常有趣的是，寄主的FT蛋白转运到菟丝子中后，还能与菟丝子中FD蛋白结合，形成蛋白复合体，从而启动菟丝子中下游开花基因的表达，使菟丝子开花，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：中国科学院昆明植物研究所 “窃听”高手与寄主“合拍”开花 寄生植物和寄主间的对话和信号交流无时无刻不在发生。 “这就如同两个人在说话，他们互相都能听懂，但是这是植物之间的语言。作为植物学家，我们想破译寄主植物与寄生间的这种语言，寄主的FT蛋白就是一个非常美妙的信号，它可以从寄主移动到菟丝子，从而告知菟丝子‘寄主将要开花’这个重要信息。”吴建强研究员说，他们现在还没有完全破译菟丝子给寄主哪些信号，但这已在研究课题范围之内。
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：中国科学院植物研究所标本馆 研究表明，菟丝子通过“窃听”寄主植物的FT开花信号，从而能够与不同寄主的开花时间保持一致。正是这种“随遇而安”的开花行为，使菟丝子能够适应非常广泛的寄主植物。 “如果菟丝子有固定的开花时间，但在它比寄主开花过晚的情况下，很难从已经开花甚至结种的寄主身上获得足够的营养，甚至寄主可能会在菟丝子开花前死亡；而在菟丝子比寄主开花过早的情况下，其生物量和种子产量会比与寄主同时开花的菟丝子小很多。”申国境说，他们此番研究，就是重点“破译”菟丝子的“窃听”技术，以及这种技术给它的生存繁衍带来哪些作用。 “要知道，同是寄生植物的列当对农业生产的影响比菟丝子要严重地多。基于这项成果，我们目前已在关注它与寄主之间有没有类似的开花信号‘窃听’现象。”吴建强研究员说，如果搞清楚这个问题，对列当等寄生植物的防治或将提供借鉴，对农业生产和植物生物学的研究也将有重要影响。 （科技日报微信公众号 2020年9月1日） |
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