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寄生植物菟絲子獨特開花調控機制研究取得進展

文章來源:資源植物與生物技術重點實驗室  |  發布時間:2020-08-27  |  作者:申國境  |  瀏覽次數:  |  【打印】 【關閉

 

  在自然界中,寄生植物約有4000-5000種,約占被子植物的1%。寄生植物菟絲子是旋花科菟絲子屬植物,約200個種,是我們經常食用的紅薯的近親。菟絲子在進化的過程中,根和葉片完全退化,光合作用能力非常微弱或者完全失去,所以只能從寄主中獲得營養物質。對大多數植物而言,葉片是植物感受環境因子(如日照長短的變化)從而啟動開花程序的重要器官。然而,菟絲子無葉片,而且前期研究表明,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。這些線索都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。開花是高等植物繁衍后代、延續物種的重要生理過程,那么菟絲子是怎么樣實現自己的開花呢? 

  早在上個世紀60年代,有研究發現田野菟絲子(Cuscuta campestris)在不同條件下,總和寄主保持一致的開花時間。近期,中國科學院昆明植物研究所吳建強研究團隊,從分子層面解析了菟絲子開花的分子機制,解開了菟絲子與寄主保持同步開花的秘密。該團隊利用不同的寄主植物,證實南方菟絲子(Cuscuta australis)與寄主植物的開花時間保持高度一致;通過遺傳學分析進一步證實,寄主的FT基因表達是菟絲子開花必須的條件。FT基因編碼的蛋白被稱為是植物開花的成花素,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。首先,該研究團隊通過分析南方菟絲子中FT的基因結構,發現南方菟絲子FT基因的第二個內含子上有一個約8.8 kb的片段插入,而且在菟絲子的不同發育階段,都無法檢測得到其FT基因的表達;同時,將南方菟絲子的FT遺傳轉化到擬南芥中,并不能誘導擬南芥提前開花,表明南方菟絲子的FT基因不再具有調控開花的功能。之后,該研究團隊的生化分析表明,當轉基因煙草中表達帶有GFP標簽的擬南芥FT蛋白(AtFT-GFP)后,能夠在菟絲子中檢測到從煙草移動到菟絲子的AtFT-GFP蛋白;此外,研究者們通過蛋白質組分析,發現大豆寄主的FT蛋白也能夠轉運到菟絲子中。有趣的是,寄主的FT蛋白轉運到菟絲子中后,還能與菟絲子中FD蛋白結合,形成蛋白復合體,從而啟動菟絲子中下游開花基因的表達,使菟絲子開花,完成自己的生活史。 

  以上的研究結果表明寄生植物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。這種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,但在其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獲得足夠的營養甚至寄主可能會在菟絲子能夠開花前死亡;而在菟絲子比寄主開花過早的情況下,菟絲子的生物量和種子產量會比與寄主同時開花的菟絲子的生物量和種子產量小很多。本研究揭示的分子機制為了解菟絲子的生理、生態和進化史具有重要意義。 

  該研究成果以Cuscuta australis (dodder) parasite eavesdrops on the host plants’ FT signals to flower”為題發表在PNAS雜志上。中國科學院昆明植物研究所助理研究員申國境博士和博士研究生劉念為該論文第一作者,吳建強研究員為通訊作者。該項目得到中科院先導B項目、國家自然科學基金項目、中國科學院國際合作項目等經費的支持。 

  文章鏈接 

 

1 南方菟絲子(C. australis)在不同寄主植物上的開花表型 

 

2 寄主植物的FT蛋白能夠轉運到南方菟絲子(C. australis)

(責任編輯:李雪)

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