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【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

“植物界的每一种植物都有一套巧妙的生存法则。”云南省野生资源植物研发重点实验室副主任吴建强说,"每一种植物都是非常有趣,也是很聪明的。如果能发现植物的生存法则,比如找到植物的抗旱性、耐高温、耐寒性等特性的生理机制,对我们改造农作物具有很大的帮助。”

4月,记者驱车一个小时来到云南省野生资源植物研发重点实验室,揭秘这个隐藏在城市里的植物研究中心。

【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

菟丝子和红薯是近亲?
揭开寄生植物的“身世之谜”

【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

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在自然界中,绝大部分植物都是通过叶片光合作用、根部吸收水分及养分维持生存,这些植物被称作“自养植物”。而自然界还存在一些植物,它们可以从另外的植物那里夺取营养,这类植物称为“寄生植物”,它们通过被称为“吸器”的器官从其他植物上获取养分。人们常会看到一些淡黄色或淡绿色的藤状植物,缠绕在其他植物上,这就是寄生植物中常见的“菟丝子”。

【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

菟丝子 视频截图

经过数千百万年的进化,今天的菟丝子无根无叶,成为了一个彻头彻尾的寄生习性的植物。“菟丝子的整个生命过程必须依赖寄主才能完成。”吴建强说,菟丝子与寄主接触区长出大量独特器官“吸器”,菟丝子将“吸器”插到寄主体内,将其与寄主的维管束组织形成连接,从寄主获取营养、水分等生长所需物质,最终开花结果。“菟丝子就像一个吸血鬼一样,非常贪婪,一旦吸器形成,就会不断向上缠绕寄主汲取营养,就像指数增长似的越缠越多,最终变成一大丛。在有的地方,这是很严重的寄生性杂草,造成农作物的严重减产。”吴建强说。

“菟丝子与我们吃的红薯是近亲,前者是菟丝子属植物,后者是番薯属植物,但它们同属旋花科,它们共同的祖先生活在约3300万年前,之后菟丝子开始快速进化,并经历了剧烈的基因丢失事件。”吴建强说,红薯和菟丝子的植物形态差别很大,一个是自养型植物,一个却是无根无叶的寄生植物,菟丝子到底是如何进化成现在的模样?

【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

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【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

吴建强向记者介绍菟丝子的神奇演化过程。视频截图

为了揭示这一神奇的演化过程,刚回国的吴建强博士就迫切地着手寄生植物的研究。那是2012年,吴建强刚从德国以“青年千人”的身份引进回国,而在此之前,吴建强师从世界著名的化学生态学家Ian Baldwin教授。“当时,国内没有任何关于菟丝子方面的成功经验可以借鉴,一切都需要自己一点点摸索。”吴建强感慨到,虽然几乎是从零开始,但经过几年的努力,对研究进展也颇感欣慰。

“菟丝子最大的形态变化就是根和叶片全部退化消失。”吴建强说,“我们研究的重要课题就是菟丝子是如何进化成现在这样一个无根无叶的寄生植物?其生长发育的机理又是如何?”这些问题的研究对于阐明寄生植物的进化具有重大的理论意义,除此之外,也能为寄生植物的防治提供重要的思路。

钻坚研微,潜精研思。历时一年半时间,吴建强团队终于成功破译了南方菟丝子的全基因组密码,初步揭开了寄生植物起源和演化的“身世”。

【揭秘“云南省重点实验室”】和“聪明的植物”打交道

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吴建强解释到,结合基因组系统发育分析与共线性分析,发现菟丝子属与番薯属植物的共同祖先在约7100万年前分化前经历了一次全基因组三倍化加倍事件,大约在3100万年前菟丝子属与番薯属的共同祖先发生了物种分化,产生了菟丝子属的祖先,之后菟丝子经历了快速进化以及大规模的基因丢失。“丢失的基因大部分与光合作用、根和叶的功能与发育、开花决定基因、植物抵御逆境与胁迫和基因的转录调控等相关。这些基因在自养植物中是非常重要的,没有这些基因,自养植物是无法生存的。我们认为,在菟丝子中的基因丢失事件很可能和它的根叶的退化相关。”

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