农药快讯:2020年第18期
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开花信号的“窃听者”——菟丝子
更新时间:2020-10-13 点击量:517

寄生植物菟丝子通过“窃听”寄主植物的开花素(FT)开花信号,从而能够与不同寄主的开花时间保持一致。

 

目前为止,已知的寄生植物约有4 000~5 000种,大约有12或者13个独立的进化起源。菟丝子是旋花科菟丝子属植物,是一种茎寄生植物,没有叶片和根,全球共有约200个种,是人们经常食用的红薯的近亲。菟丝子在进化的过程中,根和叶片完全退化,光合作用能力非常微弱或者完全失去,所以只能通过吸器从寄主中获得营养物质。

 

植物的开花是一个非常有趣的生物学现象,不同的植物通常会选择不同的策略实现开花。而对于大多数植物而言,是通过叶片来感知环境因子(如温度、日照长短等)的变化,寄生植物菟丝子显然不在此列。先前有研究发现,野地菟丝子(Cuscuta campestris)在不同条件下,总和寄主保持一致的开花时间。那么,菟丝子的开花机制究竟是如何的呢?

 

近日,中国科学院昆明植物研究所吴建强研究团队在PNAS上发表题为Cuscuta australis (dodder) parasite eavesdrops on the host plants FT signals to flower的研究论文。该研究从分子层面解析了菟丝子开花的分子机制,解开了菟丝子与寄主保持同步开花的秘密。

该研究通过改变寄主,证实南方菟丝子(Cuscuta australis)开花时间与寄主保持高度一致,进一步的遗传学方法表明,寄主的FT基因表达是菟丝子开花的必要条件。FT基因编码的蛋白被称为是植物开花的成花素,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。

 

该研究首先通过分析南方菟丝子中FT的基因结构,发现南方菟丝子FT基因的第2个内含子上有一个约8.8 kb的片段插入,这导致了FT基因的失活,无法表达;进一步地,将南方菟丝子的FT遗传转化到拟南芥中,并不能诱导拟南芥提前开花,表明南方菟丝子的FT基因可能演化成了一个假基因。其次,生化分析表明,当转基因烟草中表达带有GFP标签的拟南芥FT蛋白(AtFT-GFP)后,能够在菟丝子中检测到从烟草移动到菟丝子的AtFT-GFP蛋白;此外,研究者们通过蛋白质组分析,发现大豆寄主的FT蛋白也能够转运到菟丝子中。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,完成自己的生活史。

 

综上所述,寄生植物菟丝子通过“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。这种开花行为使菟丝子能够适应广泛的寄主植物:延迟开花的菟丝子很难从已经开花甚至结种的寄主获得足够的营养,甚至寄主可能会在菟丝子能够开花前死亡;而在菟丝子比寄主提前开花的情况下,菟丝子的生物量和种子产量会比与寄主同时开花的菟丝子的生物量和种子产量小很多。该研究从分子水平揭示了菟丝子与寄主保持同步开花的分子机理,对了解包括菟丝子在内的寄生植物的生理、生态和进化具有重要意义。

 

中国科学院昆明植物研究所助理研究员申国境博士和已毕业的刘念博士为该论文第一作者,吴建强研究员为通信作者。该项目得到中科院先导B项目、国家自然科学基金项目、中国科学院国际合作项目等经费的支持。    (来源:BioArt植物)

 

农药快讯, 2020 (18): 8.


tag: 开花信号、菟丝子、共同进化  

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