科技日报 赵汉斌
菟丝子生长在寄主黄瓜上 中科院昆明植物所研究院郭晗供图
努力增加种子数量，随着寄主开花的节奏开花，与寄主植物间有高频物质交流……没有叶子、没有根的寄生植物菟丝子，却有着强大的生命力。
近期，中科院昆明植物研究所（以下简称昆明植物所）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。相关研究成果于北京时间9月1日发表在美国《国家科学院院刊》。
从寄主获得营养物质
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，所有营养和水分都从寄主获取。”吴建强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。
FT蛋白启动开花程序
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，在季节性日照长短及温度变化等情况下，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的呢？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，发现菟丝子和普通自养型植物的开花机制可能不同。”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（FT蛋白）被称为成花素，在植物开花中起重要作用。在合适的条件下，植物叶片合成FT蛋白，而且FT蛋白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，它不开花，甚至比寄主死得更早。”吴建强说。
遗传学研究揭示寄主的FT基因表达是菟丝子开花的必须条件。“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，而且在菟丝子不同发育阶段都无法检测到FT基因。”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。进一步生化分析表明，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。
“窃听”高手与寄主同步开花
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，它们互相都能听懂。而寄主的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。”吴建强说。
研究表明，菟丝子通过“窃听”寄主植物的FT开花信号，从而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，此次研究就是重点“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得多。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。
2020-09-01
