菟丝子:我没有叶子,但是我会“窃听”。

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菟丝子是旋花科菟丝子属植物,是一种茎寄生植物,全球共有约200个种。菟丝子在进化的过程中,根和叶片已经完全退化,光合作用能力非常微弱甚至完全失去,只能通过吸器从寄主中获得营养物质。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,来选择开花时机的,寄生植物菟丝子显然不在此列。先前有研究发现,田野菟丝子(Cuscuta campestris)在不同条件下,总和寄主保持一致的开花时间。那么,菟丝子是如何保持和宿主同步的开花时间的呢?

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”(IF=9.412)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。

菟丝子:我没有叶子,但是我会“窃听”。

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,寄主的开花素(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。


菟丝子:我没有叶子,但是我会“窃听”。



图1 南方菟丝子(C. australis)在不同寄主植物上的开花表型。


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。

菟丝子:我没有叶子,但是我会“窃听”。

图2 寄主植物的FT蛋白能够转运到南方菟丝子(C.australis)中。


总结

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。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,为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。


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