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植物上那些黄黄绿绿、没根没叶的丝状物究竟是啥?

2017-01-10 张井雄,吴建强 科学大院
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作者:张井雄 吴建强(中国科学院昆明植物研究所)


缠绕在花枝上的这长长的淡橘色的丝状物究竟是啥?

在公园或者野外,你可能曾看到过这样一些藤状植物:它们呈橘黄色或者淡绿色,缠绕在其它植物上,自己本身没有根也没有叶片。你有没有好奇过它们究竟是什么?又是如何“凭空”出现的?

原来,它们叫做菟丝子,也被称为黄丝藤、金钱草和无根草等,是一种非常常见的寄生植物。这些寄生植物占到被子植物的大约1%,全球现存共有4000多种。

菟丝子属于旋花科(Convolvulaceae;这个科里我们最熟悉的应该是红薯 Ipomoea batatas),菟丝子属(Cuscuta),有大约170-200个种,主要分布于亚热带区域。菟丝子无根也无叶,只有依靠其他植物才能够生存下来,是一种典型寄生的植物。大多数菟丝子的茎是淡绿色或者淡黄色的,也会因寄主差异颜色略有不同。


菟丝子无根也无叶

菟丝子的“觅食”范围很广,大约有一百多种寄主,分布于多个科,如豆科、菊科、禾本科、茄科、蓼科等植物。

但是,菟丝子对不同的寄主具有不同的喜好,如果遇到合适的寄主,它们就会疯狂地生长,从寄主那里获取大量的营养。这样,寄主就遭殃了,有的长得很慢,有的长得很小,有的干脆就被菟丝子寄生死了。

例如,我国的南方菟丝子(Cuscuta australis)寄生在大豆和野生番茄上长得就异常茂盛,在生长旺盛期,每天能增长达5、6 cm。

不同的菟丝子入侵性也不一样,较南方菟丝子而言,生活在北美的五角菟丝子(Cuscuta pentagona)的寄生性更强。


菟丝子寄生范围很广

菟丝子的寄生会造成作物减产,尤其是在亚热带地区和地中海地区影响最为严重,此外,北美和中欧也有菟丝子泛滥的报道。

菟丝子造成寄主产量下降的原因包括两个方面,一是菟丝子通过吸器,深入寄主的木质部或者韧皮部,获取生长所需的一切;二是菟丝子缠绕在寄主叶片,影响其光合作用。


菟丝子严重影响寄主的生长

菟丝子这么厉害,它是怎么实现寄生的呢?


菟丝子的萌发

这就不得不说说它的神奇武器——吸器(haustoria)。

一棵菟丝子最多能有数万粒种子,不过种子数量虽多,个头却很小,近几十颗种子才有米粒那么大。但是,菟丝子种子有一层厚厚的防护套,在自然条件下,菟丝子种子遇到合适的条件就会吸水、肿胀、萌发,冲破种皮,长出脆嫩的芽儿,似乎非常容易生长,不过在实验条件下观察过就会知道,要萌发菟丝子可不是一件容易的事儿,必须将种子放到强腐蚀性的浓硫酸中半个小时才能去除种皮。

萌发后,菟丝子幼苗就慢慢旋转寻找寄主,如果没有机会接触到寄主,幼苗在几天后就死去了;而那些幸运儿接触到寄主后,与寄主接触的部位就出现细胞分化,右手螺旋缠绕到寄主的茎或者叶柄上,接触到寄主部位的表皮细胞细胞质增多,发育成初始的吸器,这些吸器通过机械压和酶解过程穿透寄主细胞深入皮质层,形成搜寻丝(searching hyphae),深入到寄主的韧皮部或者木质部,最后形成种间胞间连丝,连接了菟丝子和寄主,并很快成为成熟吸器。

这样,吸器就形成菟丝子和寄主间的“营养通道”。Yeah! 寄生完成!


菟丝子的吸器

就这样,菟丝子通过吸器与寄主形成了紧密的联系。菟丝子从寄主那里获取所有需要的物质,比如糖类、氨基酸、无机盐和水等。

除了水和营养,菟丝子也会从寄主里转移编码蛋白质的mRNA(信使RNA)和非编码蛋白质的起到调控作用的小RNA。基于这些发现,有科学家在研究是否可以利用小RNA来抑制菟丝子重要基因的表达,从而防控菟丝子,减少其对作物的危害。

另外,菟丝子还从寄主转运次生代谢产物。比如,寄生不同寄主的日本菟丝子(Cuscuta japonica)体内的次生物质含量差异显著。与其他松醇含量较少或者不含松醇的寄主相比,菟丝子寄生在松醇(pinitol)含量丰富的寄主葛根 (Pereira thunbergiana)上就含有更多的松醇。

除此之外,菟丝子也能够转运病原菌,比如病毒、类病毒。

这样看来,事物总是有两面性的,这个通道是菟丝子窃取寄主营养和水分的重要途径,但是有害的病原菌也可能会随着这个通道运输到菟丝子。

菟丝子作为寄生植物,与寄主有着极其密切的关系。随着技术手段的不断提高,这种奇特的寄生植物与寄主间的相互作用也正在被科学家们从进化、生理生态和遗传等多方面逐渐揭开,相信在不久的将来,人们将能够利用这种关系更好地防治寄生植物,造福人类。

参考文献

1.Yoshida, S., Cui, S., Ichihashi, Y., and Shirasu, K. (2016). The haustorium, a specialized invasive organ in parasitic plants. Annu Rev Plant Biol 67, 643-667.

2.Press, M.C., and Phoenix, G.K. (2005). Impacts of parasitic plants on natural communities. New Phytol 166, 737-751.

3.Mower, J.P., Stefanovic, S., Young, G.J., and Palmer, J.D. (2004). Plant genetics: gene transfer from parasitic to host plants. Nature 432, 165-166.

4.Quantification of tomato and Arabidopsis mobile RNAs trafficking into the parasitic plant Cuscuta pentagona.

5.B.Runyon, J., Mescher, M.C., and Moraes, C.M.D. (2006). Volatile chemical cues guide host location and host selection by parasitic plants. Science 313, 1964-1967.

6.盛晋华, 张雄杰, 刘宏义, and 莉, 李. (2006). 寄生植物概述. 生物学通报 41, 9-13.

(本文首发于科学大院,中科院昆明植物所供稿,转载请注明出处并保留下方二维码)




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