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寄生植物菟丝子独特开花调控机制研究取得进展

文章来源:资源植物与生物技术重点实验室  |  发布时间:2020-08-27  |  作者:申国境  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  在自然界中,寄生植物约有4000-5000种,约占被子植物的1%。寄生植物菟丝子是旋花科菟丝子属植物,约200个种,是我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,所以只能从寄主中获得营养物质。对大多数植物而言,叶片是植物感受环境因子(如日照长短的变化)从而启动开花程序的重要器官。然而,菟丝子无叶片,而且前期研究表明,菟丝子基因组发生了大量的基因丢失,包括调控植物开花相关的生物钟途径、光周期途径、春化途径等关键基因。这些线索都说明很可能菟丝子和普通自养型植物的开花机制非常不同。开花是高等植物繁衍后代、延续物种的重要生理过程,那么菟丝子是怎么样实现自己的开花呢? 

  早在上个世纪60年代,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。近期,中国科学院昆明植物研究所吴建强研究团队,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。该团队利用不同的寄主植物,证实南方菟丝子(Cuscuta australis)与寄主植物的开花时间保持高度一致;通过遗传学分析进一步证实,寄主的FT基因表达是菟丝子开花必须的条件。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。首先,该研究团队通过分析南方菟丝子中FT的基因结构,发现南方菟丝子FT基因的第二个内含子上有一个约8.8 kb的片段插入,而且在菟丝子的不同发育阶段,都无法检测得到其FT基因的表达;同时,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基因不再具有调控开花的功能。之后,该研究团队的生化分析表明,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,使菟丝子开花,完成自己的生活史。 

  以上的研究结果表明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非常广泛的寄主植物:如果菟丝子有固定的开花时间,但在其比寄主开花过晚的情况下,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;而在菟丝子比寄主开花过早的情况下,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。本研究揭示的分子机制为了解菟丝子的生理、生态和进化史具有重要意义。 

  该研究成果以Cuscuta australis (dodder) parasite eavesdrops on the host plants’ FT signals to flower”为题发表在PNAS杂志上。中国科学院昆明植物研究所助理研究员申国境博士和博士研究生刘念为该论文第一作者,吴建强研究员为通讯作者。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。 

  文章链接 

 

1 南方菟丝子(C. australis)在不同寄主植物上的开花表型 

 

2 寄主植物的FT蛋白能够转运到南方菟丝子(C. australis)

(责任编辑:李雪)

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