備課素材：寄生植物 高二上學(xué)期生物人教版選擇性必修2

寄生植物地球上絕大多數(shù)植物都能自力更生，可有些被子植物偏偏“好吃懶做”，過著“躺平”的寄生生活。

理解寄生植物的演化歷程及生活機制，對探究物種起源、萬物生長有重要意義。深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合中國科學(xué)院昆明植物研究所、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)等單位，合作完成寄生植物蛇菰的基因組解析，揭示了其獨特形態(tài)和神奇生活方式背后的機制。相關(guān)研究9月21日在線發(fā)表于《自然-植物》。蛇菰的花、莖、根及其與寄主根的連接“好吃懶做”的寄生植物典型代表如果在森林中的某個角落偶遇蛇菰科植物，你很可能會將它們誤認作蘑菇。“蛇菰科植物是全寄生植物的典型代表之一?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡摺⑸钲谌A大生命科學(xué)研究院研究員劉歡告訴《中國科學(xué)報》，其與蘑菇的相似之處在于，蛇菰科植物也是異養(yǎng)的。不過，蘑菇屬于真菌類，而蛇菰是一種高等植物。人們把那些利用無機物為營養(yǎng)、自己合成有機物的生物統(tǒng)稱為“自養(yǎng)型”，而那些不能自己合成有機物的生物則稱為“異養(yǎng)型”。絕大多數(shù)的植物都是自養(yǎng)的，而動物都是異養(yǎng)的。被子植物中進化出了至少12類（近5000個物種）“好吃懶做”的寄生植物，它們寄生在其他植物上，從中偷取營養(yǎng)，也屬于“異養(yǎng)型”。其中一些保留了光合作用能力，被稱作半寄生植物；另一些則完全喪失了光合作用能力，被稱作全寄生植物。蛇菰的形態(tài)經(jīng)歷了嚴重的退化，缺乏正常的根、莖和葉組織，其主要營養(yǎng)器官是根莖，花序從根莖中伸出，而根莖的另一端與寄主植物的根相連。“由于其獨特的生活方式，關(guān)于它的生長和發(fā)育，我們了解甚少?！眲g說，蛇菰的種子萌發(fā)后，首先產(chǎn)生吸器，占據(jù)寄主植物的根尖，導(dǎo)致寄主植物的根停止生長。隨后蛇菰的根莖會逐漸長大，伴隨著寄主根逐漸變粗。奇特的是，根莖中的維管系統(tǒng)既包含蛇菰自身的，也包含寄主的，二者形成復(fù)合的維管組織。這種獨特的寄生方式確保了蛇菰與寄主之間的緊密連接，有助于蛇菰更好地從寄主處獲得養(yǎng)分。

寄生植物丟失了大量近似的基因“與自養(yǎng)植物相比，不同類群的寄生植物發(fā)生了不同數(shù)量的基因丟失。”劉歡說，科學(xué)家們通過找出在多數(shù)自養(yǎng)植物中都保留的基因，來分別判斷各種寄生植物所丟失的基因比例。已有研究顯示，全寄生的大花草科植物寄生花丟失了約44%的基因；介于全寄生和半寄生之間的旋花科植物菟絲子丟失了約11.7%的基因；列當(dāng)科的半寄生植物丟失了約2.4%~5.7%的基因，而全寄生的列當(dāng)丟失了約13%的基因。那么，其他全寄生類群是否也發(fā)生了基因丟失？不同類群的寄生植物是否發(fā)生了類似的基因丟失？基因丟失與其環(huán)境適應(yīng)之間是什么關(guān)系？這些都是植物科學(xué)研究者關(guān)心的問題。半寄生植物丟失了相對少量的基因，而全寄生的蛇菰和寄生花基因大量丟失（分別為28%和38%），且兩個類群丟失的基因大部分是相同的。“這也是目前研究人員在植物中發(fā)現(xiàn)的最大程度的基因丟失。”陳曉麗說?！氨M管蛇菰和寄生花形態(tài)不同，由不同的祖先獨立進化到現(xiàn)在，但它們丟失的共同基因卻分別占到各自丟失基因的60%和80%?！标悤喳愌a充道，這兩個類群很像大自然做了兩次不同的實驗，但是得到了非常類似的結(jié)果。“我們推斷，其他幾個全寄生植物類群盡管形態(tài)各異，但很有可能也發(fā)生了相似的基因丟失?！卑殡S著光合作用功能的喪失，蛇菰和寄生花丟失了幾乎全部與此相關(guān)的基因；同時，與根部發(fā)育、氮的吸收、開花調(diào)節(jié)等重要功能相關(guān)的基因也大量丟失。此外，普通植物中往往會保留幾個相似的基因用于特定功能，如信號傳遞、代謝或適應(yīng)環(huán)境變化，形成一些多基因的大家族。但是蛇菰和寄生花中，這些大家族大多被縮減成一個基因。這從側(cè)面展示了全寄生植物在進化歷程中基因丟失的程度及方式，反映了基因丟失在進化中所發(fā)揮的強大力量。

除了營養(yǎng)外寄生植物還“偷”什么脫落酸是一種非常重要的植物激素，主要參與逆境響應(yīng)、種子成熟等過程。一個有趣的發(fā)現(xiàn)是，蛇菰和寄生花丟掉了脫落酸主要合成通路的大部分基因。陳曉麗介紹，此次研究卻在蛇菰的花序中發(fā)現(xiàn)了脫落酸積累和響應(yīng)基因的高表達。于是，他們猜測，蛇菰可能直接利用了寄主中合成的脫落酸。“這代表了寄生植物與寄主互作的一種全新形式?！标悤喳愓f。論文共同通訊作者、英屬哥倫比亞大學(xué)教授Graham認為，寄生植物的基因丟失大部分能與不需要的功能聯(lián)系起來。而有些基因丟失對寄生植物來說可能是有益的，例如脫落酸合成通路相關(guān)基因的丟失，能夠保證寄生植物與寄主保持生理上的同步，更有利于其存活，但這需要更多的驗證。蛇菰科的一些物種能夠誘導(dǎo)寄主的維管組織在自身的根莖中生長，形成一種嵌合體。陳曉麗介紹，他們在蛇菰與其寄主的交接處發(fā)現(xiàn)了非?；钴S的激素活動、免疫互作，以及mRNA在蛇菰與寄主之間穿梭的現(xiàn)象。對于寄主來說，與另外一個物種接觸時，會產(chǎn)生較強的免疫反應(yīng)。例如，水楊酸這種激素在植物對病蟲害的抵抗等過程中發(fā)揮重要功能。當(dāng)植物被病原體侵染時，會積累水楊酸，并進一步誘導(dǎo)對病原體的抵抗。研究人員發(fā)現(xiàn)，在免疫中發(fā)揮重要作用的激素水楊酸在寄主的根中積累，而在蛇菰中發(fā)現(xiàn)一些分解水楊酸或負調(diào)節(jié)水楊酸的基因在蛇菰與寄主的交接處高表達。“我們推斷蛇菰可能通過減弱水楊酸的作用來降