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乐动体育官方网址 植物与其他生物互作团队揭示菌异养植物天麻和寄生植物基因丢失的趋同进化

文章来源:资源植物与生物技术重点实验室  |  发布时间:2021-10-22  |  作者:雷云霆,许宇星  |  浏览次数:  |  【打印】 【关闭

 

  在自然界中,绝大多数植物都是自养的,通过光合作用获取生长发育以及繁殖所需的能量。然而,除了自身光合作用获取碳源营养之外,一些植物部分或完全地依赖其他生物获取营养,我们称之为异养植物。其中,大部分异养植物的光合能力较自养植物更低,部分植物光合作用大幅度降低甚至完全丧失此外,一些异养植物为了适应生存环境,大幅度地改变自身形态。异养植物具有独特的生理、生态和进化历史。

  异养植物中,有一部分是依赖真菌提供营养的,被称为菌异养植物;菌异养植物在苔藓类、单子叶植物和双子叶植物中独立进化了40多次,包括初期菌异养、部分菌异养和完全菌异养三种异养型。其中,作为菌异养植物代表的兰科植物,不仅具有丰富的生态和进化多样性外,而且揽括了全部的菌异养类型,是研究菌异养植物的理想类群。兰科天麻属植物天麻(Gastrodia elata)是一种完全菌异养的植物,是东亚地区的一种重要中草药,其完全依赖真菌小菇(Mycena)和密环菌(Armillaria)完成整个生活史。另一类依赖其他植物提供营养的被称为寄生植物,它们约占被子植物的1%,其中独脚金(Striga)、列当(Orobanche)以及菟丝子(Cuscuta)等寄生植物严重威胁着农业和林业生产。菟丝子是旋花科中唯一的寄生植物种属,几乎失去光合作用能力,完全依赖寄生于植物得以生存。同天麻相似,菟丝子也没有根或明显的叶子。完全菌异养和全寄生植物代表了寄生进化的高级阶段,它们虽然独立地进化出了其完全寄生(完全异养)的生活习性,但它们有着有一定相似度的生理、生态和发育特征。 

  近期,乐动app官网 吴建强团队利用三代测序和Hi-C技术组装了染色体级别的天麻基因组。在此基础上,将兰科菌异养植物和独脚金、菟丝子等寄生植物及其他多个植物系统发育分枝上的重要代表物种,包括无油樟、单子叶植物和双子叶植物等代表植物进行了比较基因组学分析。研究结果显示:1)与自养植物相比,菌异养和寄生植物的基因家族都显著性收缩,在半寄生植物独脚金和初期真菌异养型兰科植物中丢失了约4-5%的保守基因家族,但在完全异养型的天麻和南方菟丝子中却丢失高达10%的保守基因家族,即基因家族的收缩的程度与植物异养习性密切相关;2)随着异养程度的加深,植物基因丢失程度也逐步加剧,即基因丢失与异养程度呈正相关(图1);3)在完全菌异养和全寄生植物中,存在着基因丢失的趋同进化(图1);4)天麻和南方菟丝子中许多自养所必需的基因都发生了丢失,包括涉及光合作用、生物钟、开花时间调控(图2)、免疫调控、营养吸收和根叶发育等通路的关键基因。因此,研究人员推断,在具有异养生活方式的植物中,基因丢失及其随之而来的生理变化可能是为了适应其生存环境和生活习性,受到正向的自然选择。 

  本研究不但提供了一个高质量天麻基因组,为天麻的生理、生态和进化研究提供了重要基础,研究结果还揭示了基因丢失驱动的基因组进化在异养生活方式植物中的关键作用,为将来针对异养植物的生理、生态和进化生物学研究提供了新思路。 

  该研究成果以A chromosome-scale Gastrodia elata genome and large-scale comparative genomic analysis indicate convergent evolution by gene loss in mycoheterotrophic and parasitic plants 题发表在Plant Journal杂志上,乐动app官网 博士后许宇星和助理研究员雷云霆为该论文共同第一作者,吴建强研究员为通讯作者。该项目得到中国科学院生物互作卓越中心、中国科学院B类先导专项培育项目、国家自然科学基金项目、云南省应用基础研究计划重点项目、中国科学院科技扶贫项目、科技入滇、中国博士后科学基金以及生物资源数字化、开发与应用等经费的支持。 

  文章链接 

 

图1. 菌异养植物和寄生植物基因丢失的模式 

 

图2. 植物开花调控基因的丢失 

(责任编辑:李雪)

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