Science解开50年谜题：寄生植物如何不劳而获

　　

生物通报道  由乔治亚大学的科学家们领导的一个国际研究小组，揭示出了从其他活体植物处偷取营养物质的寄生植物，是如何进化出检测和攻击它们宿主的能力的。他们的研究结果发布在近期的《科学》（Science）杂志上，有可能促成一些新技术来控制偷窃营养的杂草。

尽管当前有成千上万种寄生植物物种，那些潜入农田中破坏农作物的植物是人类的最大负担。尤其一些发展中国家获得先进除草剂和其他控制方法的能力有限，寄生植物侵袭每年降低了数十亿美元的作物产量。

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论文的共同作者、乔治亚大学Franklin文理学院遗传学助理教授David Nelson说：“简单的说，这些植物是以其他植物为食。以独脚金（witchweed）为例，一些寄生植物的种子可以在土壤中休眠十多年，等待直至它们检测到宿主的存在才开始生长，我们希望了解寄生植物是如何知道有其他的植物在附近的，由此我们可以开发出一些新方法来对付它们。”

随着植物根部生长，它们会释放一种叫做独脚金内酯（strigolactone）的激素到土壤中。这一信号通常会帮助真菌与植物形成一种有力的连接，来各自交换营养物质（延伸阅读：南京农业大学最新Nature文章）。寄生植物的种子也具有感知独脚金内酯的能力，这促进了它们发芽，附着在宿主根部吮吸营养。

Nelson说：“这有点像根部雷达。但令人难以置信的是，这一独脚金内酯检测系统似乎是由通常控制植物检测火灾能力的基因进化而来。”

当森林燃烧时，烟及灰烬中的一些化合物会渗入土壤中。大多数植物都进化出了检测这些化合物的能力，由此发出它们的竞争者绿荫大树或密集的地被遭到破坏，是它们生长适宜时机的信息。

Nelson和同事们发现在寄生植物的进化过程中，烟雾探测器基因发生了复制，一些拷贝转变成为了独脚金内酯探测器。这一关键的转变使得寄生植物能够识别并攻击附近的宿主。

“现在我们了解了赋予寄生植物这种能力的基本遗传学，我们可以开发出一些新方法来帮助农民对付它们，”Nelson说。

例如，研究人员或许可以开发出一些合成化合物来干扰寄生植物利用来感知独脚金内酯的受体，使得它们看不到宿主的存在。

或者，可以制造出一些模拟独脚金内酯的化合物。在正常的生长季节之前将它们喷洒至农田中，农民可以欺骗这些寄生植物让它们在没有宿主存在之时生长，这种策略被称为自杀发芽。

最终，研究人员希望他们的研究发现可为开发出一种发展中国家农民可以使用的、简单而经济实惠的方法来提高他们的粮食生产奠定基础。

“在过去的50年里寄生植物感知宿主的过程一直是我们领域中的一个谜题。这有可能为开发出大量有用的新技术来帮助需求最大的人们打开了大门。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Convergent evolution of strigolactone perception enabled host detection in parasitic plants

Obligate parasitic plants in the Orobanchaceae germinate after sensing plant hormones, strigolactones, exuded from host roots. In Arabidopsis thaliana, the α/β-hydrolase D14 acts as a strigolactone receptor that controls shoot branching, whereas its ancestral paralog, KAI2, mediates karrikin-specific germination responses. We observed that KAI2, but not D14, is present at higher copy numbers in parasitic species than in nonparasitic relatives. KAI2 paralogs in parasites are distributed into three phylogenetic clades. The fastest-evolving clade, KAI2d, contains the majority of KAI2 paralogs. Homology models predict that the ligand-binding pockets of KAI2d resemble D14. KAI2d transgenes confer strigolactone-specific germination responses to Arabidopsis thaliana. Thus, the KAI2 paralogs D14 and KAI2d underwent convergent evolution of strigolactone recognition, respectively enabling developmental responses to strigolactones in angiosperms and host detection in parasites.