菟絲子「竊聽」寄主開花的秘密這樣揭開

2020-09-03 科技日報

科技日報記者 趙漢斌

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。研究成果以《寄生植物菟絲子「竊聽」寄主植物發出的FT信號而開花》為題，於北京時間9月1日凌晨發表在著名國際期刊《美國科學院院報》上。

菟絲子於寄主同步開花。（圖源：中國科學院昆明植物研究所 郭晗研究員拍攝提供）


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，約佔被子植物的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，菟絲子屬於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繫，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。

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，因為它太特殊了！」吳建強研究員說。

菟絲子生長在寄主黃瓜上。（圖源：中國科學院昆明植物研究所 郭晗研究員拍攝提供）

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麼實現開花呢？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鐘途徑、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。

在眾多被子植物的基因組中，FT基因編碼的蛋白被稱為成花素，在植物開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信號蛋白，而且FT能夠從葉片長距離運輸到頂端分生組織誘導開花。「我們從菸草入手，敲除了菸草基因組的FT基因，發現這些轉基因菸草根本就不能開花，當然也沒有種子；而寄生其上的菟絲子也不知所措，它也不開花，甚至比寄主死得更早。」吳建強研究員說。

菟絲子的花。（圖源：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，當轉基因菸草中表達帶有綠色螢光蛋白GFP標籤的擬南芥FT蛋白後，能夠在菟絲子中檢測到從菸草移動到菟絲子的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，從而啟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。

菟絲子通過轉運可移動信號，提高寄主植物的耐鹽性。（圖源：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。作為植物學家，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。

採集於西藏乃東區結巴鄉山坡錦雞兒灌叢中的開花菟絲子標本。（圖源：中國科學院植物研究所標本館）

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，其生物量和種子產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產的影響比菟絲子要嚴重地多。基於這項成果，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鑑，對農業生產和植物生物學的研究也將有重要影響。

編輯：張琦琪

審核：朱麗

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  • 茉莉酸信號途徑參與菟絲子與寄主的抗蟲互作研究取得進展
    常見的寄生植物包括列當、槲寄生、獨腳金以及菟絲子等。菟絲子是一種莖寄生植物，所有營養和水分都通過吸器從寄主獲取。由於雙方天然存在的緊密聯繫，其間的物質交流也非常廣泛，但這些物質交流的生理和生態意義依然鮮有研究。之前的研究已經表明，菟絲子不但能夠從寄主獲得水分和礦質元素等小分子，也能夠獲得核酸及蛋白質等大分子。
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    菟絲子顯然不能像大多數植物那樣進行光合作用，所以它不能用光自行製造食物。了解了這些，我們也許會覺得菟絲子會餓死，然而事實與此相反，它活得很好。菟絲子靠另一種方式養活自己——它從鄰近植物那裡獲取食物。它是一種寄生植物。為了生存，菟絲子把自己附著在寄主植物身上，長出一種附屬器官深插到寄主植物的維管系統中，藉此吸吮由寄主提供的養分。
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  • 「不勞而獲」的寄生植物——菟絲子
    菟絲子，旋花科、菟絲子屬的一年生寄生草本植物，屬於莖纏繞植物（右手性纏繞的植物）。菟絲子的莖柔細如絲，顏色金黃，因此也被叫作雞血藤、金絲藤等，古人也叫它金錢草、黃絲草、金絲草等，這些名字都十分貼切。作為寄生植物，菟絲子是沒有葉子的，無法進行光合作用。菟絲子靠吸器獲取養分，它的吸器與毛毛蟲的腿外形相似。
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