植株间的“即时通信”:相互发送messenger KoleosNA

澳门网上正规赌场平台 ,我们已经知道,植物们能够利用气味分子等媒介进行信息传播。令人吃惊的是,现在科学家发现,有些寄生植物和寄主使用messager
RNA(mRNA)进行信息的交流。弗吉尼亚理工大学的植物病理学教授吉姆·韦斯特伍德打开了植物学新的大门,他和他的同事们将植物物种间的信息沟通研究延伸到了遗传分子水平。这项研究近日发表在《科学》上,而科学家们相信,其结果之中甚至可能隐藏着提高粮食生产效率的新思路。

人们对动物界的寄生现象比较熟悉,但是在植物界里,寄生也是普遍存在的。比如菟丝子就是人们比较熟知的寄生植物。一直以来,普遍认为寄生植物对于寄主来讲是有百害而无一利的。可是,最新的研究表明,寄生植物可能还有积极的一面。

科学家揭示寄生植物菟丝子可在寄主间传递信号

韦斯特伍德和他的同事测试了寄生植物菟丝子(Dodder)和两种寄主植物拟南芥和番茄之间的关系。为了从寄主植物吸取水分与养分,菟丝子使用它们的吸器穿透寄主植物的表皮,并“扎根”于宿主的细胞之中。韦斯特伍德正是在这个过程中发现,菟丝子和宿主之间有着遗传信息的交换。韦斯特伍德和他的同事们通过检测菟丝子和其宿主之间的“联系桥梁”——吸器内的物质交换,发现了来自菟丝子和寄主植物的遗传信息。接着他们追踪这些mRNA,并吃惊地发现这些寄生植物和寄主之间通过mRNA进行着某种交流。

寄人篱下的植物

然界中,菟丝子常常能够同时寄生在多个邻近的寄主上,从而将不同的寄主连接起来。中国科学院昆明植物研究所吴建强课题组与马普化学生态学研究所Ian
T.
Baldwin教授合作,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,并且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。相关研究7月25日发表在美国《国家科学院院刊》上。

在生物体内,mRNA,即信使RNA可以在细胞之间传递遗传信息。它们像邮递员那般携带工作邮件的信息,并传递给细胞相应的行动计划——比如需要编码出哪些蛋白质,来调控生理活动。而韦斯特伍德的发现扩大了植物物种间“交流”的概念:之前科学家认为,mRNA等这些遗传物质是很脆弱、存在时间很短暂的,mRNA在物种之间的转移,过去基本不可想象。而韦斯特伍德发现,在菟丝子的寄生关系中,成千上万的mRNA分子飞奔在两个物种的细胞工厂之间,传递信息,进行交流,而在这其中,菟丝子起着主导作用。

在被子植物中,寄生植物有4000种左右,占到大约1%。所有的寄生植物都具备一个特殊的器官,那就是吸器(haustorium)。吸器一词最早源于拉丁语的haurire,其意为“喝”。寄生植物通过吸器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,造成寄主营养的大量流失,进而严重影响寄主生长和繁殖。常见的寄生植物有列当、独脚金、菟丝子等。其中,菟丝子较为常见,大约有将近200个物种,分布在全世界很多国家和地区。

菟丝子是旋花科的茎全寄生植物,其大多数种类的叶片和根在进化过程中已经完全退化消失,只有少数种类还残存微弱的光合能力。近来有研究表明,除了水分和营养,很多物质都能够在菟丝子和寄主之间运输,包括蛋白质、mRNA以及次生代谢物等。然而,菟丝子与寄主间的相互作用研究还非常缺乏。

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菟丝子没有根也没有叶片,通过茎缠绕在寄主上并产生大量吸器而获取营养。菟丝子没有或者只有非常微弱的光合作用,从而被认为是一类全寄生植物。研究表明,寄主和菟丝子的“物质交流”是非常频繁的,不仅包括水分和营养,还包括蛋白质、
mRNA以及次生代谢物等。

研究人员利用菟丝子将不同寄主植物进行了连接,当对其中一株寄主植物做昆虫取食处理后发现,被取食叶片产生了某种系统性抗虫信号,这些信号能够被运输到被处理植物的其它部分并诱导抗虫响应;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,从而诱导转录组和代谢物响应并提高其抗虫性。该系统性抗虫信号在不同物种间非常保守,甚至可以在不同科的寄主植物间传递并诱导抗虫性,而且茉莉酸在此系统性信号的产生或传递过程中扮演着重要的角色。他们的研究还指出,菟丝子传导的抗虫系统性信号产生和传播速度非常快(大约1
cm/分钟),而且还可以远距离传递。

菟丝子(丝网状植物)蔓延在寄主植物上。图片来源:blogs.discovermagazine.com

菟丝子:植物间的电话线、传话筒

尽管寄生植物一向被视为为对寄主“有害无益”,该研究表明,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”。这是首次从分子水平揭示了菟丝子连接的植物微群落中,菟丝子和寄主、寄主与寄主间复杂的相互作用关系,此研究对了解抗虫系统性信号也有较重要的意义,也对农业上治理寄生植物危害提供了新的启示。

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