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【揭秘“云南省重点实验室”】之三:原来植物也“绝顶聪明”
2019-05-15
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“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的,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,揭秘这个隐藏着城市里的植物研究中心。

菟丝子和红薯是近亲?

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”的器官从其它植物上获取养分。人们常会看到一些淡黄色或淡绿色的藤状植物,缠绕在其它植物上,这就是寄生植物中常见的“菟丝子”。

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?

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,对这几年的研究进展感到欣慰。

“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的一个无根无叶的寄生植物?其生长发育的机理又是如何?”这些问题的阐明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”。

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。”

寄生植物和寄主建立“防御联盟”

“近来研究表明,菟丝子除了水分和营养物质,还有很多物质能够在菟丝子和寄主之间运输,比如蛋白质、次生代谢物等。”吴建强说到,那么像“电话线”一样的菟丝子是如何在不同寄主之间“信息交流”的呢?

2017年,吴建强课题组发表论文创新性地提出了“菟丝子及其连接的不同寄主形成微群落”这一崭新概念,他们的研究发现在这种微群落中,菟丝子能在不同寄主植物间传递有生态学效应的抗虫系统性信号。

吴建强解释说,利用菟丝子将不同寄主植物进行了连接,当其中一株寄主植物做昆虫取食后,这个被取食叶片能够产生了某种抗虫信号,这些信号能够被运输到被昆虫取食植物的其它部分并进而诱导抗虫响应。“更重要的是,系统性信号能够通过菟丝子传递到微群落中的其它寄主植物,从而使这些植物产生基因表达的变化及代谢物响应并提高其抗虫性。同时,菟丝子传导的抗虫系统信号和传播速度非常快,大约1厘米/分钟,传递距离可以超过1米。”

五年的菟丝子研究,吴建强带领团队打破寄生植物对寄主有百害而无一利的观念:菟丝子在某些条件下可以帮助不同寄主之间建立起抗虫防御的“联盟”。该研究不仅对于了解抗虫系统性信号有重要意义,也对农业治理寄生植物危害提供了新的启示。

“菟丝子就像一根‘电话线’,将抗虫信号传递给寄主,通知寄主生产抗虫的‘化学武器’,准备作战。”吴建强说到,通过研究发现,菟丝子有一些细胞专门从事运输工作,将信号从这些细胞传输过去,提前给寄主通风报信,告诉“虫来了”信号。

“植物是很聪明的,就像工厂一样,没有订单它是不会生产抗虫化合物的,一旦受到昆虫取食,这就相当于接到了订单,才会开工生产产品,这些产品就可以用来抗虫。”吴建强说,我们当时主要研究集中在上游的信号传导,从哨兵到它的下一级、再下一级等,它们是怎么互相通知对方,一级和一级进行配合来调动化学工厂开工。

目前,吴建强和其团队还在开展玉米如何抵御昆虫取食的研究。“通过在玉米里寻找玉米抗虫基因,有可能为我们将来通过分子育种以及其他方式提高玉米的抗虫能力。”吴建强说,首先要了解玉米受到昆虫取食的时候如何响应?玉米体内产生何种变化?不同玉米的抗虫性之间的区别是什么?

“实验室正在找一些‘信号通路’,就像人一样在感冒时自身的抗病信号会被激活,调动抗体等抵抗病菌。”吴建强告诉记者,玉米也是一样,在昆虫取食时,玉米会有大量抗虫信号被激活,合成对昆虫有毒的化合物进行御敌。“植物能够注重节省能量和物质,平时不会轻易合成这些抗虫化合物,只有遭遇袭击时,才会合成化合物抵御昆虫。”

与科学家聊一聊

“斯文”“严谨”,这是记者初见吴建强的第一印象。

刚刚踏入吴建强的办公室,就看到书柜上贴着学生们的送的生日贺卡,贺卡的字里行间透露着对吴建强的尊重与喜爱。“我平时经常和学生们在一起谈科研进展谈科研方法,一起讨论问题,一起研究数据。”吴建强笑着说到。

“科学研究的本质就是揭示我们自然世界的本质,当你发现一个有趣的现象并且通过科学的手段去揭示了这种现象背后的机理机制时,那种激动是无与伦比的,能让你欣喜若狂。”吴建强说到,对我个人来说,科研的快乐要多于它的枯燥的一面,所以做科研对我而言是一件很快乐的事情。

在回国之前,吴建强在德国马普化学生态学研究所学习工作了11年,一直从事植物昆虫互作的研究,属于化学生态学范畴。多年的研究经历使得他对植物和昆虫有着天然的亲近感。

普通人看到一株植物的第一反应只是好看与否?

但在吴建强眼里,第一反应却是看看植物上有没有虫子在吃它,运气好的话,还能抓个现行。与植物和昆虫打交道十几年,这些都已变成吴建强的本能反应了。

“现在野外还有很多没有发现的昆虫和植物间的相互作用方式,我们要加快科学研究,揭秘这些‘聪明的’动植物。”吴建强说,找到植物的生存法则,既能让我们了解这个世界,也对我们保护自然和改造农作物也有很大的帮助。

【实验室名片】

云南省野生资源植物研发重点实验室于2015年成立,实验室立足西南丰富的野生植物资源为研究对象,系统开展云南特色野生资源植物及其重要功能基因的应用基础研究与研发。

实验室重点研究云南特色的观赏植物、食用植物和生态修复植物,定向选育有重要经济价值的新品种(品系),攻关规模化生产关键技术,解决发展特色生物产业在野生资源植物发掘与利用方面的重大科学问题,支撑国家农林和生态文明建设的重大需求。

近三年来,实验室新增科研项目132项,其中国家级科研项目69项,省部级科研项目31项,横向课题32项,新争取科研经费6989.34万元。