日本神戶大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)近日發(fā)布最新成果，聚焦一類幾乎完全生活在地下的奇異植物——蛇菰（Balanophora），揭示這些早已放棄光合作用、部分物種甚至幾乎不再進(jìn)行有性繁殖的植物，如何依然在自然生態(tài)系統(tǒng)中成功生存和擴(kuò)散。

研究指出，蛇菰植物并不像典型植物那樣依賴葉綠體進(jìn)行光合作用獲取能量，而是作為寄生植物，將吸器深入其他植物根部，直接汲取宿主提供的營養(yǎng)，大部分時(shí)間隱身于黑暗潮濕的林下土壤，只在開花季短暫“露面”。更極端的是，其中一些物種幾乎完全轉(zhuǎn)向無性繁殖，只靠不經(jīng)授粉受精就能形成的種子來延續(xù)種群。

神戶大學(xué)植物學(xué)家末次健司表示，其長期目標(biāo)是“重新思考‘植物’這一概念的真正內(nèi)涵”，因此對那些已經(jīng)放棄光合作用的植物格外著迷，希望通過蛇菰的研究，厘清在這一劇烈演化過程中，植物在基因組、細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及繁殖方式上發(fā)生了哪些深層變化。

此次研究的核心之一，是首次系統(tǒng)整合蛇菰的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、質(zhì)體（plastid）基因組演化以及其繁殖策略與生境條件之間的對應(yīng)關(guān)系。研究團(tuán)隊(duì)指出，過去雖然已有零散工作分別關(guān)注它們的基因組縮減、生態(tài)適應(yīng)或繁殖方式，但這三條線索一直未被放在同一框架下綜合考察。

科研人員通過多年在陡峭濕潤山地森林中的田野調(diào)查，并依托與當(dāng)?shù)刈匀挥^察者建立的長期合作積累了大量樣本，同時(shí)聯(lián)合沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)等機(jī)構(gòu)中專攻高度縮減基因組的研究團(tuán)隊(duì)，完成了蛇菰多物種的系統(tǒng)發(fā)育和質(zhì)體基因組分析。結(jié)果表明，所有受檢物種都擁有極度“瘦身”的質(zhì)體基因組，而這種“極簡化”是在該類群共同祖先階段就已發(fā)生，隨后才分化出各個(gè)現(xiàn)存物種。

從表面看，這些質(zhì)體似乎已經(jīng)瀕臨“消失”，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，大量蛋白質(zhì)仍被合成并運(yùn)送至質(zhì)體內(nèi)，說明雖然光合作用功能被徹底舍棄，質(zhì)體依舊在代謝過程中扮演關(guān)鍵角色，仍是植物細(xì)胞中不可或缺的核心結(jié)構(gòu)之一。研究團(tuán)隊(duì)因此認(rèn)為，蛇菰展示了“在最大限度壓縮基因組前提下，仍保留質(zhì)體必需代謝功能”的極端范例，為理解植物細(xì)胞器功能保留與丟失的邊界提供了重要線索。

與光合作用普遍喪失不同，研究發(fā)現(xiàn)無性繁殖能力在蛇菰內(nèi)是多次獨(dú)立演化出來的特征。團(tuán)隊(duì)推測，能夠在缺乏授粉者或配偶個(gè)體時(shí)，通過無性方式直接形成種子，可能在該類群早期擴(kuò)散過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使其得以跨越從日本本州經(jīng)沖繩直到臺灣的一系列島嶼與山地環(huán)境。

末次健司指出，過去十年他在蛇菰授粉和種子傳播方面的研究發(fā)現(xiàn)，駱駝蟋蟀和蟑螂等看似“不起眼”的節(jié)肢動物在授粉和傳播中扮演了出人意料的重要角色。然而在授粉者稀少或個(gè)體分布極其零散的環(huán)境中，無性結(jié)實(shí)往往成為確保繁殖成功的“兜底”機(jī)制，并在部分物種中逐漸演化為主要甚至幾乎唯一的繁殖方式。

該研究以“系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)厘清蛇菰演化歷史、縮減質(zhì)體的代謝保留以及強(qiáng)制性無融合生殖的起源”為題，發(fā)表在植物學(xué)期刊《New Phytologist》上。論文不僅為理解非光合寄生植物如何維持細(xì)胞器功能、適應(yīng)生態(tài)位和優(yōu)化繁殖策略提供了新視角，也被視為進(jìn)一步解析寄生植物與宿主相互作用機(jī)制的重要基礎(chǔ)。

末次健司表示，對他這樣在陰暗濕潤森林中長期追蹤這些地下植物的人來說，看到它們的“故事”在基因組層面被逐步拼合出來，具有特別的意義。下一步研究將嘗試把本次的基因組結(jié)果與具體的生化代謝測量相結(jié)合，弄清蛇菰質(zhì)體究竟在生產(chǎn)哪些代謝產(chǎn)物，以及這些產(chǎn)物如何幫助它們在宿主根系內(nèi)部生長、維持寄生生活方式。

編譯自/ScitechDaily