近日，深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合昆明植物所、英屬哥倫比亞大學(xué)等單位，基于華大智造DNBSEQ測(cè)序平臺(tái)和無分隔長片段stLFR（single tube long fragment reads）等技術(shù)，完成了多種寄生植物及寄主的基因組解析，相關(guān)成果發(fā)表于國際期刊《自然-植物》（Nature Plants）。

提到寄生蟲，人們很容易聯(lián)想到寄生的動(dòng)物或微生物。但你知道嗎？其實(shí)植物界中也有“寄生蟲”哦！

地球上絕大多數(shù)植物為“自養(yǎng)型”，它們自立更生，從土壤中吸取養(yǎng)分，依靠自身光合作用獲取生長能量。然而在被子植物中，進(jìn)化出了至少12類，近5000種寄生植物，它們“好吃懶做”，寄生在其它植物上并偷取營養(yǎng)。蛇菰（gū）科植物就是全寄生植物的典型代表之一。

理解此類植物的演化歷程及生活機(jī)制，對(duì)探究物種起源、萬物生長具有重要意義。9月21日，深圳華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合昆明植物所、英屬哥倫比亞大學(xué)等單位，合作完成了兩種蛇菰的基因組解析，揭示了其獨(dú)特形態(tài)和特殊生活方式的背后機(jī)制，相關(guān)成果發(fā)表于國際期刊《自然-植物》（Nature Plants）。

蛇菰雖形似蘑菇，卻是實(shí)打?qū)嵉母叩戎参?，其主要器官為根莖和花。一般的寄生植物會(huì)把吸收營養(yǎng)的器官伸進(jìn)宿主體內(nèi)，而蛇菰卻能將宿主的維管組織（有輸導(dǎo)水分和營養(yǎng)的功能）誘導(dǎo)到自己體內(nèi)，如同將別人家的水管連到自己家中。這種獨(dú)特的寄生方式能幫助蛇菰更好地獲取養(yǎng)分。

杯莖蛇菰的野外生活環(huán)境（左圖，拍攝者：魏澤，中國植物圖像庫）；杯莖蛇菰的根莖，花葶，以及與寄主根的連接（中圖）；球穗蛇菰不同的生長發(fā)育階段（右圖）

與自養(yǎng)植物相比，寄生植物發(fā)生了不同數(shù)量的基因丟失。根據(jù)過往發(fā)表的文章，大花草科植物寄生花（全寄生）丟失了約44%的基因、旋花科植物菟絲子（介于全寄生和半寄生之間）丟失了約11.7%的基因、列當(dāng)科植物松蒿和馬先蒿（半寄生）則丟失了約2.4%-3.0%的基因......

來自5個(gè)類群的寄生植物形態(tài)及一些關(guān)鍵功能的基因丟失

研究團(tuán)隊(duì)通過比較此次新組裝的蛇菰科的兩個(gè)物種——杯莖蛇菰和球穗蛇菰，與半寄生植物小紅花寄生，以及如上提及的幾種寄生植物，發(fā)現(xiàn)半寄生植物丟失了相對(duì)少量的基因，而全寄生的蛇菰和寄生花卻發(fā)生了大量的基因丟失（分別為28%和38%），且兩個(gè)類群丟失的基因大部分是相同的，這也是目前研究人員在植物中發(fā)現(xiàn)的最大程度的基因丟失。

“盡管蛇菰和寄生花形態(tài)不同，由不同的祖先獨(dú)立進(jìn)化到現(xiàn)在，但它們丟失的共同基因卻分別占到各自丟失的60%和80%。”華大生命科學(xué)研究院的陳曉麗博士補(bǔ)充道，“這兩個(gè)類群很像大自然做了兩次不同的實(shí)驗(yàn)，但是得到了非常類似的結(jié)果。我們推斷，其它全寄生植物類群盡管形態(tài)各異，但也有可能發(fā)生相似的基因丟失?！?/span>

伴隨著光合作用功能的喪失，蛇菰和寄生花丟失了幾乎全部與此相關(guān)的基因；同時(shí)，與根部發(fā)育、氮的吸收、開花調(diào)節(jié)等重要功能相關(guān)的基因也發(fā)生了大量丟失；此外，一般植物會(huì)保留多個(gè)相似的基因用于信號(hào)傳遞、代謝或環(huán)境適應(yīng)等，形成一些多基因家族，而蛇菰和寄生花在這些家族中卻傾向于只保留一個(gè)基因。這從側(cè)面展示了全寄生植物在進(jìn)化歷程中基因丟失的程度及方式，反映了基因丟失在進(jìn)化中所發(fā)揮的的強(qiáng)大力量。

另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，蛇菰和寄生花丟掉了脫落酸主要合成通路的大部分基因，而此次研究卻在蛇菰的花序中發(fā)現(xiàn)了脫落酸積累和響應(yīng)基因的高表達(dá)。研究人員猜測(cè)，蛇菰可能直接利用了宿主中合成的脫落酸，這代表了寄生植物與宿主互作的一種全新的形式。

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植物激素脫落酸是一種非常重要的激素，主要參與了逆境響應(yīng)、種子成熟等過程。

文章共同通訊作者、加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Graham教授認(rèn)為，“寄生植物的基因丟失大部分能與不需要的功能聯(lián)系起來。但我們推斷，有一些基因丟失對(duì)寄生植物來說是有益的，如上述脫落酸合成通路相關(guān)基因的丟失，能保證寄生植物與宿主保持生理上的同步，可能更有利于自身的存活?！?/span>

前文提到蛇菰能將宿主的維管組織誘導(dǎo)到自己體內(nèi)，形成一種嵌合體。對(duì)宿主來說，與另一物種接觸會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的免疫反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，水楊酸在宿主的根中積累，而蛇菰在二者交接處高表達(dá)了一些用于分解或負(fù)調(diào)節(jié)水楊酸的基因。研究人員推斷，蛇菰可能通過減弱水楊酸的作用來降低宿主的免疫反應(yīng)，這也是首次發(fā)現(xiàn)寄生植物與宿主之間會(huì)通過水楊酸來互相較量。

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水楊酸（一種激素）在植物對(duì)病蟲害的抵抗等過程中發(fā)揮重要作用。當(dāng)植物被病原體侵染時(shí)，就會(huì)積累水楊酸，進(jìn)一步誘導(dǎo)對(duì)病原體的抵抗。

文章共同通訊作者、深圳華大生命科學(xué)研究院劉歡研究員認(rèn)為：“此次研究揭示了寄生植物與宿主之間復(fù)雜的互作關(guān)系，有助于我們了解寄生植物的進(jìn)化機(jī)制，對(duì)農(nóng)業(yè)中特別是一些寄生雜草的控制有非常大的幫助?！鄙钲谌A大生命科學(xué)研究院陳曉麗、方東明，中國科學(xué)院昆明植物所許宇星為該論文共同第一作者。深圳華大生命科學(xué)研究院劉歡，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)Sean W. Graham 為論文共同通訊作者。該項(xiàng)目得到深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)（No. JCYJ20160331150739027、KCXFZ20201221173013035）基金的支持。該項(xiàng)目是萬種植物基因組計(jì)劃的一部分（https://db.cngb.org/10kp/），同時(shí)也得到了中國國家基因庫（www.cngb.org）的支持。

本文轉(zhuǎn)載自華大集團(tuán)BGI