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蛇菰基因组揭示“好吃懒做”的寄生植物演化历程

作者: 发布时间:2024-03-29 浏览次数:46
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地球上的绝大多数植物都能够自立更生,从土壤中吸取养分,依靠自身光合作用获取生长能量,它们可统称为“自养型”。然而,在被子植物中,进化出了至少12类(约5000个物种)“好吃懒做”的寄生植物,它们寄生生在其它植物上,并从中偷取营养,有一些还保留了光合作用能力(被称作半寄生植物),另外有一些完全丧失了光合作用能力(被称作全寄生植物),蛇菰(gū)科植物就是全寄生植物的典型代表之一。

如果在森林中的某个角落偶然遇到蛇菰科植物,你很可能会将它们误认为是蘑菇。与蘑菇相似之处在于,蛇菰科植物也是异养的。但是蘑菇属于真菌类,而蛇菰是一种高等植物。蛇菰的形态经历了严重的退化,缺乏正常的根、茎和叶组织,主要的营养器官是根茎,花序从根茎中伸出,而根茎的另一端与寄主植物的根相连。由于其独特的生活方式,关于它的生长和发育,我们了解甚少:种子萌发后,首先产生吸器,吸器会占据寄主植物的根尖,导致寄主根停止生长,随后蛇菰的根茎会逐渐长大,伴随着寄主根也逐渐变粗。非常独特的是,根茎中的维管系统既包含蛇菰自身的,也包含寄主根的,二者形成复合的维管组织。这种独特的寄生方式确保了蛇菰与寄主之间的紧密连接,有助于蛇菰更好的从寄主获得养分。

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图1:蛇菰的形态及生活环境。左侧图:杯茎蛇菰的野外生活环境(拍摄者:魏泽,中国植物图像库),中间图:杯茎蛇菰的根茎、花茎、及寄主根的连接,右侧展示了球穗蛇菰不同的生长发育阶段

理解此类寄生植物的演化历程及生活机制,对我们探究物种起源、万物生长有重要意义。近日,深圳华大生命科学研究院联合昆明植物所、英属哥伦比亚大学等单位合作在Nature Plants发表了题为Balanophora genomes display massively convergent evolution with other extreme holoparasites and provide novel insights into parasite–host interactions的研究论文,完成了两种蛇菰的基因组解析,揭示了其独特形态和神奇生活方式的背后机制。

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图2:发表文章截图

与自养植物相比,不同类群的寄生植物或多或少发生了基因的丢失。研究者首先找出了在多数自养植物中都保留的基因,然后分别判断各种寄生植物所丢失的基因比例。已经发表的文章显示,大花草科植物寄生花(全寄生)丢失了约44%的基因、旋花科植物菟丝子(介于全寄生和半寄生之间)丢失了约11.7%的基因、列当科植物松蒿、马先蒿和独脚金(半寄生)丢失了约2.4%-5.7%的基因,而全寄生的列当和埃及列当,分别丢失了13.11%-13.85%的基因。

那么,其它全寄生类群是否也发生了剧烈的基因丢失,不同类群的寄生植物是否发生类似的基因丢失,基因丢失与其环境适应之间是什么关系?这些都是植物科学领域非常关心的问题。

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图3 来自5个类群的寄生植物的形态及一些关键功能的基因丢失

研究者对檀香目蛇菰科蛇菰属的两个物种杯茎蛇菰和球穗蛇菰进行基因组组装,组装大小分别为0.56Gb和1.15Gb,分别注释出14224和14283个蛋白编码基因。另外还组装了来自桑寄生科的半寄生植物小红花寄生,组装大小0.51Gb,共注释出38029个蛋白编码基因。

在被子植物类群中鉴定出保守的基因家族10277个,并进一步鉴定各寄生植物类群中发生丢失的基因家族,发现两个独立发生的寄生类群——蛇菰属及寄生花都发生了非常剧烈的基因丢失,分别有2898、2918、3925个基因家族丢失。而两个类群共同发生的基因家族高达2282个,分别占各自基因丢失的78.2% 和58.1%,表明在寄生程度高的全寄生植物,发生了趋同的功能的退化。而这些共同基因丢失,主要功能集中在光合作用和质体、色素代谢、昼夜节律、胁近响应、脱落酸的生物合成等功能,表明全寄生植物生活方式的转变可能极大的影响了这些功能。

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