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從丟掉葉片和根說起——南方菟絲子的自述

 汐鈺文藝范 2018-08-06

來源:“中國科普博覽”公眾號(ID:kepubolan)

我是一種獨特的植物,我沒有葉片,也沒有根,我靠吸收其它植物的水分和營養(yǎng)生活。我叫南方菟絲子。


我還是一粒種子。當雨水浸透土壤,我吮吸著甘甜的雨露,身體慢慢膨脹,直到厚厚的種皮被我頂破。透過土壤,我依稀能看到外面的光亮了。


幾天后,我終于破土而出,這個時候的我和許多普通植物幼苗都不同。我沒有子葉(也就是種子剛萌發(fā)出來的時候,頂部兩片小小的綠色的“葉片”),也沒有真正的根,只是一根黃白色的、半透明的絲狀體。我的幼苗上部分開始慢慢地像揮舞馬鞭那樣不斷轉(zhuǎn)動,向遠處探尋,尋找寄主——那棵能為我的生存提供營養(yǎng)的植物。

 

剛剛出土的菟絲子。

 

與普通種子萌發(fā)不同,菟絲子幼苗出土?xí)r沒有子葉。

 

尋找寄主拼的不僅是實力,還有運氣。我的體內(nèi)存儲的營養(yǎng)非常有限,我必須在營養(yǎng)和能量耗干之前找到寄主,否則就會死去。事實上,在一周到兩周內(nèi)找到寄主的幸運兒,只是很少一部分罷了。我想,這就是我們菟絲子產(chǎn)生很多種子的原因吧!


我是個幸運兒,沒花很多時間,就碰到了一棵臨近的大豆!我本能地先把自己纏繞到大豆的莖上,然后立即啟動了寄生模式。我的身體很快發(fā)生變化,有的地方逐漸凸起,形成植物學(xué)家稱為“吸器”的組織。吸器開始插入寄主大豆的莖內(nèi)部,不斷長大并分化出不同的結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)和大豆的營養(yǎng)、水分傳輸系統(tǒng)緊密地結(jié)合著。


哈哈!兩天后,我成功地完成了我的第一次入侵,開始從寄主得到營養(yǎng)。


一周后,我的身體變得充盈、健壯,不斷舒展延伸。我不僅得到了水,得到了糖,還得到了氨基酸、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)。由于營養(yǎng)源源不斷的供應(yīng),我逐漸長大,卻發(fā)現(xiàn)自己仍然與周圍植物相差很大。我沒有葉片也沒有根,只有藤蔓狀的莖!怎么回事?我竟然缺少了一般認為植物必須有的根和葉片!但植物學(xué)家說,我依然還是一種高等植物。



寄生完成后,菟絲子攀附在寄主植物上瘋狂地生長。

 

其實,我們菟絲子并不孤單。除了菟絲子,世界上還有四千多種寄生植物,所有的寄生植物都全部或者部分依賴寄主生活。我們也有一個共同的特征,那就是所有的寄生植物都進化出了吸器。所以,也不能說吸器是我們菟絲子所特有的。


寄生植物對寄主的依賴程度不同,有的沒有寄主就不能生存(專性寄生植物,比如我們菟絲子),有的也可以自己獨立存活(兼性寄生植物);有的不再具有光合能力(全寄生植物),而有些寄生植物仍可以進行光合作用(半寄生植物)。


我的進化歷史一直都是一個謎。以前植物學(xué)家讓我單獨成一個科,但后來發(fā)現(xiàn)那是不對的,又把我放到旋花科。時至今日我才知道,原來紅薯、牽牛跟我還是比較近的親戚。而更多關(guān)于我演化歷程的信息,來源于不久以前基因組測序工程的完成。這項工程是中國科學(xué)院昆明植物研究所的吳建強博士課題組完成的,順便提一下,我可是第一個被基因組測序的寄生植物哦!


科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),我的基因組里面缺失了大量與葉片及根部功能相關(guān)的基因。于是他們提出一種假說,認為在很久以前,我們祖先并非這般模樣。他們有葉也有根,獨立自主地通過葉片光合作用合成糖分,通過根吸收土壤中的水分和礦質(zhì)元素。他們自由地生長,是自養(yǎng)型的個體,卻在機緣巧合中通過某種未知的機制,進化出了吸器。從那時起,自然界普通植物必須做的光合作用和吸取水分、營養(yǎng)等工作,對于我們就不太重要了,我們直接就可以用吸器從寄主植物里面獲取。


因此,我們的根和葉片就逐漸退化消失了。這些重要器官的發(fā)育和生長是由很多基因控制的,我的祖先不斷的把這些基因丟掉、丟掉,到我這里已然所剩不多。也正因如此,才造成我今日的不同。至于吸器是怎么進化來的,目前還沒有結(jié)論,但科學(xué)家們根據(jù)研究結(jié)果提出,吸器的產(chǎn)生可能與根相關(guān)。

 

寄生模型示意圖


一個有趣的現(xiàn)象是,我很少生病,吃我們的蟲子也不多。難道我對病蟲害有免疫嗎?其實不是這樣的,研究發(fā)現(xiàn)我的基因組里面抗病和抗蟲的基因非常少,是祖先們把病蟲害響應(yīng)的基因丟掉了。較為可信的解釋是,我們都沒有了葉片和根,失去了這些容易發(fā)生病蟲害的器官,就難以得病了,所以還保留那么多抗病的基因干什么呢?都丟掉吧!


還有一個讓人們大跌眼鏡的事情是,我的基因組里面還丟失了很多與控制開花時間相關(guān)的基因。普通的植物有一套非常嚴密的基因網(wǎng)絡(luò),可以通過感受溫度、光照等外界因素來控制自己什么時候開花,這樣才有了一年四季不同植物在不同時間開花的景象。很有可能我的開花時間的調(diào)控和普通植物也是非常不同的。怎么不同,為什么不同?我還是等待科學(xué)家們揭開這些事情的謎底吧。


我得感謝科學(xué)家們,幫我們解開了這么多的秘密。不過,我的小小的身體里面還藏有很多有趣的故事呢,真期待科學(xué)家們幫我揭曉更多的答案!

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