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昆明植物所綜述菟絲子與寄主植物間信號及分子傳遞研究進(jìn)展
菟絲子作為典型的莖寄生植物，通過特化器官“吸器”與寄主建立維管連接。這一結(jié)構(gòu)不僅是其獲取水分和養(yǎng)分的“生命線”，還是菟絲子和寄主間以及不同寄主植物通過菟絲子傳遞信號與大分子的“天然橋梁”。由菟絲子和寄主組成的系統(tǒng)是研究植物間長距離通訊和互作機(jī)制的理想模型。
近日，中國科學(xué)院昆明植物研究所植物與其他生物互作專題組應(yīng)邀在Plant and Cell Physiology發(fā)表題為Interplant signal transduction between dodder (Cuscuta) and their hosts(菟絲子與寄主植物間的信號傳遞)的綜述論文。該論文系統(tǒng)梳理了菟絲子與寄主通過吸器實現(xiàn)的系統(tǒng)性信號傳遞及大分子物質(zhì)交換研究進(jìn)展，既總結(jié)了近年來該領(lǐng)域的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，又結(jié)合專題組自身研究積累，明確提出未來研究方向與核心挑戰(zhàn)，為寄生植物與寄主互作研究提供重要參考。
近年來的研究表明，菟絲子能高效介導(dǎo)多種系統(tǒng)性信號在相連的不同寄主間傳遞，賦予植物集群“協(xié)同抗逆”能力。當(dāng)一側(cè)寄主遭受昆蟲取食時，防御信號可沿菟絲子快速傳遞至另一側(cè)未受害寄主，提前激活其抗蟲防御通路;類似地，鹽脅迫、氮磷等養(yǎng)分脅迫，乃至高光脅迫引發(fā)的系統(tǒng)性信號，都能通過菟絲子在寄主間傳遞—這些信號不僅能調(diào)控寄主的抗逆性，還能優(yōu)化其營養(yǎng)吸收效率，幫助植物集群更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境變化。
除小分子信號外，菟絲子與寄主間還存在大規(guī)模mRNA、小 RNA(sRNA)及蛋白質(zhì)的雙向轉(zhuǎn)運，成為兩者長期進(jìn)化互作的重要證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)千種 mRNA 可在寄主與菟絲子間交換，雖總豐度通常低于1%，但為跨物種基因表達(dá)調(diào)控提供了可能;菟絲子還能向寄主傳遞小RNA，精準(zhǔn)靶向寄主免疫及發(fā)育相關(guān)基因，削弱寄主防御以促進(jìn)自身寄生;更值得關(guān)注的是，數(shù)百至上千種蛋白質(zhì)可在兩者間遷移，部分蛋白質(zhì)在接收植物中仍保持較高豐度與生物活性。其中，寄主的開花調(diào)控蛋白FT(Flowering Locus T，成花素)的轉(zhuǎn)運機(jī)制尤為關(guān)鍵，該蛋白在寄生表達(dá)后，可移動至菟絲子體內(nèi)，與菟絲子的FD蛋白結(jié)合，調(diào)控菟絲子的開花時間，最終實現(xiàn)菟絲子與寄主開花同步。這一“信號竊聽”機(jī)制，恰好與菟絲子進(jìn)化中丟失部分開花相關(guān)基因的現(xiàn)象相契合，體現(xiàn)了其高度特化的寄生適應(yīng)策略，暗示寄生植物與寄主在長期共存中，可能通過物質(zhì)轉(zhuǎn)運實現(xiàn)某些對寄主的適應(yīng)性。
盡管當(dāng)前研究已證實菟絲子與寄主間存在廣泛的信號及大分子交換，但仍有諸多科學(xué)問題待解：多數(shù)系統(tǒng)性信號分子的化學(xué)本質(zhì)尚未明確，其識別機(jī)制與功能解析仍是核心研究重點;半寄生植物(如松蒿)僅通過木質(zhì)部與寄主連接，其信號傳遞機(jī)制是否與菟絲子存在差異，也需進(jìn)一步探索。值得期待的是，隨著菟絲子及其它寄生植物遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立，以及多個寄生植物高質(zhì)量基因組的發(fā)布，科研人員已擁有更有力的工具，為深入挖掘寄生植物與寄主互作的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
該綜述不僅系統(tǒng)整合了菟絲子介導(dǎo)植物間信號與大分子傳遞的研究現(xiàn)狀，還總結(jié)了專題組以及國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在鹽脅迫信號調(diào)控、氮磷信號傳遞、功能蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運等方向的研究進(jìn)展，為理解寄生植物的生態(tài)適應(yīng)策略及植物間復(fù)雜互作關(guān)系提供了重要參考。
昆明植物研究所助理研究員張井雄、副研究員申國境為論文共同第一作者，崔松巋研究員、王文韜副研究員參與了本綜述的工作，吳建強(qiáng)研究員為通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金、云南省“興滇英才支持計劃”(“云嶺學(xué)者”“青年項目”)、云南省基礎(chǔ)研究項目、中國科學(xué)院“西部之光”項目等資助。
寄生植物代表類群
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