科技日报记者 赵汉斌
植物中，那些“好吃懒做，不劳而获”者，被称为寄生植物。它们通常是一类没有或缺少叶绿素，自身不能独立生存，必须依附于其他植物，通过吸器“掠夺”寄主养分才能生活的“懒汉”。
列当科，是目前已知的唯一一个包含了自养、兼性半寄生、专性半寄生和全寄生所有寄生类型的寄生植物支系。因此，它们是研究植物寄生习性演化过程的理想类群。
(资料图)
近日，中国科学院昆明植物研究所吴建强攻关团队，从具有不同寄生生活方式的列当科物种的比较基因组学入手，揭示了列当科植物寄生的起源，以及逐步演化的进程。国际期刊《分子植物》最新一期发表了相关研究成果。
“植物寄生习性的出现，并非一蹴而就。自养植物演化而来的寄生植物，包含了从起初仅从寄主获取一些水分和矿物营养作为补充的兼性半寄生植物，以及必须依赖寄主才能完成生活史的专性寄生植物，再逐渐演化到完全丢失光合作用能力的全寄生植物。”吴建强研究员介绍，在有花植物中，已知有12或13次独立起源的寄生植物支系，其中大部分支系中半寄生物种已经灭绝，只剩下全寄生物种。
研究团队对列当科的自养植物绿春钟萼草，以及全寄生植物向日葵列当和埃及列当两种重要的寄生杂草，进行了全基因组测序，并与已发表的兼性半寄生植物松蒿和马先蒿，以及专性半寄生植物独脚金作了比较基因组学分析。
研究结果发现，与已知的寄生植物菟丝子演化过程不同，随着寄生习性加深，列当科的寄生植物基因组大小和基因数量并没有发生剧烈收缩。相反，与自养的钟萼草相比，半寄生和全寄生的列当科植物基因组都更大，基因数量也更多。
“吸器是寄生植物特有的器官，帮助寄生植物与寄主建立物理连接，从而进行寄生生活。”昆明植物研究所许宇星博士介绍，通过吸器转录组数据，他们鉴定了这些寄生植物基因组中与吸器相关的基因，并发现这些吸器相关基因也发生了剧烈的扩张。
历史上，这样重要的扩张曾有两次，第一次是由约7348万年前的古加倍事件造成的，此时寄生习性尚未出现；第二次是较近期各寄生植物分化后独立出现的基因加倍。通过与中性进化模型进行比较发现，虽然古加倍事件比寄生习性早出现了约3500万年，但对吸器起源起到了重要作用。
通过基因家族进化分析，研究团队发现，这些寄生植物中基因家族的收缩和扩张同样剧烈。自养植物保守的基因家族中，列当科寄生植物随着寄生习性的加深，基因丢失越来越严重：从兼性半寄生丢失约2%-3%，到专性半寄生丢失约6%-7%，再到全寄生丢失约13%-15%。列当科丢失的基因与完全不同起源的菟丝子丢失的基因有超过一半是相同的，大部分与光合作用和叶绿体功能有关；不同的基因丢失主要与茎寄生和根寄生这两种不同寄生形态有关，列当科丢失了更多与光合作用以及光信号相关的基因，而菟丝子丢失更多根器官功能相关基因。
此番关于列当科寄生植物的基因组演化的发现，支持了寄生习性三段式的演化过程。
“也就是说，列当科寄生植物首先获得吸器，与寄主建立物理连接，随后逐渐依赖寄主，开始丢失不必要的功能基因，并最终再获得新基因，使其生理上实现更加特化和提高对寄主的依赖性。” 吴建强研究员说。
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