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【云南網(wǎng)】【揭秘“云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”】和“聰明的植物”打交道 文章來源: | 發(fā)布時(shí)間：2019-05-15 | 作者:楊萍，龍彥，劉暢 | 瀏覽次數(shù)： | 【打印】 【關(guān)閉】 “植物界的每一種植物都有一套巧妙的生存法則?！痹颇鲜∫吧Y源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任吳建強(qiáng)說，"每一種植物都是非常有趣，也是很聰明的。如果能發(fā)現(xiàn)植物的生存法則，比如找到植物的抗旱性、耐高溫、耐寒性等特性的生理機(jī)制，對(duì)我們改造農(nóng)作物具有很大的幫助。” 4月，記者驅(qū)車一個(gè)小時(shí)來到云南省野生資源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，揭秘這個(gè)隱藏在城市里的植物研究中心。 菟絲子和紅薯是近親？ 揭開寄生植物的“身世之謎” 在自然界中，絕大部分植物都是通過葉片光合作用、根部吸收水分及養(yǎng)分維持生存，這些植物被稱作“自養(yǎng)植物”。而自然界還存在一些植物，它們可以從另外的植物那里奪取營養(yǎng)，這類植物稱為“寄生植物”，它們通過被稱為“吸器”的器官從其他植物上獲取養(yǎng)分。人們常會(huì)看到一些淡黃色或淡綠色的藤狀植物，纏繞在其他植物上，這就是寄生植物中常見的“菟絲子”。
菟絲子 視頻截圖 經(jīng)過數(shù)千百萬年的進(jìn)化，今天的菟絲子無根無葉，成為了一個(gè)徹頭徹尾的寄生習(xí)性的植物。“菟絲子的整個(gè)生命過程必須依賴寄主才能完成?！眳墙◤?qiáng)說，菟絲子與寄主接觸區(qū)長出大量獨(dú)特器官“吸器”，菟絲子將“吸器”插到寄主體內(nèi)，將其與寄主的維管束組織形成連接，從寄主獲取營養(yǎng)、水分等生長所需物質(zhì)，最終開花結(jié)果?！拜私z子就像一個(gè)吸血鬼一樣，非常貪婪，一旦吸器形成，就會(huì)不斷向上纏繞寄主汲取營養(yǎng)，就像指數(shù)增長似的越纏越多，最終變成一大叢。在有的地方，這是很嚴(yán)重的寄生性雜草，造成農(nóng)作物的嚴(yán)重減產(chǎn)?！眳墙◤?qiáng)說。
“菟絲子與我們吃的紅薯是近親，前者是菟絲子屬植物，后者是番薯屬植物，但它們同屬旋花科，它們共同的祖先生活在約3300萬年前，之后菟絲子開始快速進(jìn)化，并經(jīng)歷了劇烈的基因丟失事件?！眳墙◤?qiáng)說，紅薯和菟絲子的植物形態(tài)差別很大，一個(gè)是自養(yǎng)型植物，一個(gè)卻是無根無葉的寄生植物，菟絲子到底是如何進(jìn)化成現(xiàn)在的模樣？
吳建強(qiáng)向記者介紹菟絲子的神奇演化過程。視頻截圖 為了揭示這一神奇的演化過程，剛回國的吳建強(qiáng)博士就迫切地著手寄生植物的研究。那是2012年，吳建強(qiáng)剛從德國引進(jìn)回國，而在此之前，吳建強(qiáng)師從世界著名的化學(xué)生態(tài)學(xué)家Ian Baldwin教授。“當(dāng)時(shí)，國內(nèi)沒有任何關(guān)于菟絲子方面的成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，一切都需要自己一點(diǎn)點(diǎn)摸索?！眳墙◤?qiáng)感慨到，雖然幾乎是從零開始，但經(jīng)過幾年的努力，對(duì)研究進(jìn)展也頗感欣慰。 “菟絲子最大的形態(tài)變化就是根和葉片全部退化消失?！眳墙◤?qiáng)說，“我們研究的重要課題就是菟絲子是如何進(jìn)化成現(xiàn)在這樣一個(gè)無根無葉的寄生植物？其生長發(fā)育的機(jī)理又是如何？”這些問題的研究對(duì)于闡明寄生植物的進(jìn)化具有重大的理論意義，除此之外，也能為寄生植物的防治提供重要的思路。
鉆堅(jiān)研微，潛精研思。歷時(shí)一年半時(shí)間，吳建強(qiáng)團(tuán)隊(duì)終于成功破譯了南方菟絲子的全基因組密碼，初步揭開了寄生植物起源和演化的“身世”。
吳建強(qiáng)解釋到，結(jié)合基因組系統(tǒng)發(fā)育分析與共線性分析，發(fā)現(xiàn)菟絲子屬與番薯屬植物的共同祖先在約7100萬年前分化前經(jīng)歷了一次全基因組三倍化加倍事件，大約在3100萬年前菟絲子屬與番薯屬的共同祖先發(fā)生了物種分化，產(chǎn)生了菟絲子屬的祖先，之后菟絲子經(jīng)歷了快速進(jìn)化以及大規(guī)模的基因丟失?！皝G失的基因大部分與光合作用、根和葉的功能與發(fā)育、開花決定基因、植物抵御逆境與脅迫和基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控等相關(guān)。這些基因在自養(yǎng)植物中是非常重要的，沒有這些基因，自養(yǎng)植物是無法生存的。我們認(rèn)為，在菟絲子中的基因丟失事件很可能和它的根葉的退化相關(guān)。” 菟絲子傳遞“蟲來了”信號(hào)？ 寄主建立抗蟲防御“聯(lián)盟” “近來研究表明，菟絲子除了水分和營養(yǎng)物質(zhì)，還有很多物質(zhì)能夠在菟絲子和寄主之間運(yùn)輸，比如蛋白質(zhì)、次生代謝物等。”吳建強(qiáng)說到，那么像“電話線”一樣的菟絲子是如何在不同寄主之間“信息交流”的呢？ 2017年，吳建強(qiáng)課題組發(fā)表論文創(chuàng)新性地提出了“菟絲子及其連接的不同寄主形成微群落”這一嶄新概念，他們研究發(fā)現(xiàn)在這種微群落中，菟絲子能在不同寄主植物間傳遞帶有生態(tài)學(xué)效應(yīng)的抗蟲系統(tǒng)性信號(hào)。
“菟絲子就像一根‘電話線’，將抗蟲信號(hào)傳遞給寄主。視頻截圖 吳建強(qiáng)解釋說，他們利用菟絲子將不同寄主植物進(jìn)行了連接，當(dāng)其中一株寄主植物做昆蟲取食后，這個(gè)被取食葉片能夠產(chǎn)生了某種抗蟲信號(hào)，這些信號(hào)能夠被運(yùn)輸?shù)奖焕ハx取食植物的其他部分并進(jìn)而誘導(dǎo)抗蟲響應(yīng)。“更重要的是，系統(tǒng)性信號(hào)能夠通過菟絲子傳遞到微群落中的其他寄主植物，從而使這些植物產(chǎn)生基因表達(dá)的變化及代謝物響應(yīng)并提高其抗蟲性。同時(shí)，菟絲子傳導(dǎo)的抗蟲系統(tǒng)信號(hào)和傳播速度非?？欤蠹s1厘米/分鐘，傳遞距離可以超過1米?！?/span>
五年的菟絲子研究，吳建強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打破寄生植物對(duì)寄主有百害而無一利的觀念：菟絲子在某些條件下可以幫助不同寄主之間建立起抗蟲防御的“聯(lián)盟”。該研究不僅對(duì)于了解抗蟲系統(tǒng)性信號(hào)有重要意義，也對(duì)農(nóng)業(yè)治理寄生植物危害提供了新的啟示。
“菟絲子就像一根‘電話線’，將抗蟲信號(hào)傳遞給寄主，通知寄主生產(chǎn)抗蟲的‘化學(xué)武器’，準(zhǔn)備作戰(zhàn)?！眳墙◤?qiáng)說到，通過研究發(fā)現(xiàn)，菟絲子有一些細(xì)胞專門從事運(yùn)輸工作，將信號(hào)從這些細(xì)胞傳輸過去，提前給寄主通風(fēng)報(bào)信，告訴“蟲來了”信號(hào)。 “植物是很聰明的，就像工廠一樣，沒有訂單它是不會(huì)生產(chǎn)抗蟲化合物的，一旦受到昆蟲取食，這就相當(dāng)于接到了訂單，才會(huì)開工生產(chǎn)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品就可以用來抗蟲。”吳建強(qiáng)說，“我們當(dāng)時(shí)主要研究集中在上游的信號(hào)傳導(dǎo)，從哨兵到它的下一級(jí)、再下一級(jí)等，它們是怎么互相通知對(duì)方，一級(jí)和一級(jí)進(jìn)行配合來調(diào)動(dòng)化學(xué)工廠開工?！?/p>
吳建強(qiáng)和其團(tuán)隊(duì)還在開展玉米如何抵御昆蟲取食的研究。視頻截圖 目前，吳建強(qiáng)和其團(tuán)隊(duì)還在開展玉米如何抵御昆蟲取食的研究?！巴ㄟ^在玉米里尋找玉米抗蟲基因，有可能為我們將來通過分子育種以及其他方式提高玉米的抗蟲能力。”吳建強(qiáng)說，“首先要了解玉米受到昆蟲取食的時(shí)候如何響應(yīng)？玉米體內(nèi)產(chǎn)生何種變化？不同玉米的抗蟲性之間的區(qū)別是什么？“
“實(shí)驗(yàn)室正在找一些‘信號(hào)通路’，就像人一樣在感冒時(shí)自身的抗病信號(hào)會(huì)被激活，調(diào)動(dòng)抗體等抵抗病菌?！眳墙◤?qiáng)告訴記者，玉米也是一樣，在昆蟲取食時(shí)，玉米會(huì)有大量抗蟲信號(hào)被激活，合成對(duì)昆蟲有毒的化合物進(jìn)行御敵?！爸参锬軌蜃⒅毓?jié)省能量和物質(zhì)，平時(shí)不會(huì)輕易合成這些抗蟲化合物，只有遭遇襲擊時(shí)，才會(huì)合成化合物抵御昆蟲?！?/span> 與科學(xué)家聊一聊
吳建強(qiáng) 視頻截圖
“斯文”“嚴(yán)謹(jǐn)”，這是記者初見吳建強(qiáng)的第一印象。 剛剛踏入?yún)墙◤?qiáng)的辦公室，就看到書柜上貼著學(xué)生們的送的生日賀卡，賀卡的字里行間透露著對(duì)吳建強(qiáng)的尊重與喜愛?！拔移綍r(shí)經(jīng)常和學(xué)生們?cè)谝黄鹫効蒲羞M(jìn)展，談科研方法，一起討論問題，一起研究數(shù)據(jù)?！眳墙◤?qiáng)笑著說到。 “科學(xué)研究的本質(zhì)就是揭示我們自然世界的本質(zhì)，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象并且通過科學(xué)的手段去揭示了這種現(xiàn)象背后的機(jī)理機(jī)制時(shí)，那種激動(dòng)是無與倫比的，能讓你欣喜若狂。”吳建強(qiáng)說到，“對(duì)我個(gè)人來說，科研的快樂要多于它的枯燥的一面，所以做科研對(duì)我而言是一件很快樂的事情。” 在回國之前，吳建強(qiáng)在德國馬普化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所學(xué)習(xí)工作了11年，一直從事植物昆蟲互作的研究，屬于化學(xué)生態(tài)學(xué)范疇。多年的研究經(jīng)歷使得他對(duì)植物和昆蟲有著天然的親近感。 普通人看到一株植物的第一反應(yīng)只是好看與否？但在吳建強(qiáng)眼里，第一反應(yīng)卻是看看植物上有沒有蟲子在吃它，運(yùn)氣好的話，還能抓個(gè)現(xiàn)行。與植物和昆蟲打交道十幾年，這些都已變成吳建強(qiáng)的本能反應(yīng)了。 “現(xiàn)在野外還有很多沒有發(fā)現(xiàn)的昆蟲和植物間的相互作用方式，我們要加快科學(xué)研究，揭秘這些‘聰明的’動(dòng)植物，”吳建強(qiáng)說，“找到植物的生存法則，既能讓我們了解這個(gè)世界，也對(duì)我們保護(hù)自然和改造農(nóng)作物也有很大的幫助。” 實(shí)驗(yàn)室名片
云南省野生資源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。視頻截圖 云南省野生資源植物研發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2015年成立，實(shí)驗(yàn)室立足西南豐富的野生植物資源為研究對(duì)象，系統(tǒng)開展云南特色野生資源植物及其重要功能基因的應(yīng)用基礎(chǔ)研究與研發(fā)。
實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究云南特色的觀賞植物、食用植物和生態(tài)修復(fù)植物，定向選育有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新品種（品系），攻關(guān)規(guī)模化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，解決發(fā)展特色生物產(chǎn)業(yè)在野生資源植物發(fā)掘與利用方面的重大科學(xué)問題，支撐國家農(nóng)林和生態(tài)文明建設(shè)的重大需求。 近三年來，實(shí)驗(yàn)室新增科研項(xiàng)目132項(xiàng)，其中國家級(jí)科研項(xiàng)目69項(xiàng)，省部級(jí)科研項(xiàng)目31項(xiàng)，橫向課題32項(xiàng)，新爭取科研經(jīng)費(fèi)6989.34萬元。 （云南網(wǎng) 2019年5月13日） |
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