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    中國科學院昆明植物研究所
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    植物與周圍生物間的巧妙“合作”——為吸收養分而發育的寄生植物吸器與豆科植物根瘤

    文章來源:資源植物與生物技術重點實驗室  |  發布時間:2023-10-25  |  作者:蒲芝雨  |  瀏覽次數:  |  【打印】 【關閉

     

      移動受限的植物為爭取到充足的營養會采用不同策略。其中,有一些植物選擇了與其他生物進行巧妙“合作”,從對方那里直接或間接地獲得養料供自己茁壯成長。

      寄生植物在感知到寄主植物分泌的信號物質后,根或莖局部膨大形成獨特的營養吸收器官—吸器 (Haustorium),在與寄主接觸后能夠入侵寄主并通過維管連接運輸營養物質。根據吸器是否影響根或莖的頂端生長,可以將其分為側生吸器和頂端吸器。就列當科Orobanchaceae)的根寄生植物而言,兼性寄生植物(Facultative parasitic plant)可以產生多個側生吸器并保持根的伸長,而專性寄生植物(Obligate parasitic plant)則只在根尖形成一個頂端吸器,終止分生區活性。吸器的發育過程具體可以分為三個階段:當寄生植物感知到寄主分泌的吸器誘導物(Haustorium inducing factors, HIFs)后開始誘導原吸器;原吸器頂端分化出侵入細胞并開始入侵寄主組織;內部形成木質部橋并與寄主植物建立維管連接,成為能夠運輸養料和水分的成熟吸器(圖1)。 

      豆科植物為克服氮素短缺,與固氮菌互作,導致根組織局部膨大突出形成瘤狀器官—根瘤 (Nodule)。根瘤是豆科植物容納固氮根瘤菌并與之交換碳、氮營養元素的場所,其發育過程可以分為三個階段:根瘤菌分泌結瘤因子(Nod factors)誘導植物根毛形成侵染線;內皮層膨脹發育出根瘤原基;根瘤菌通過侵染線從根毛向根瘤原基延伸并釋放,分化為類菌體。最后植物細胞與具有固氮能力的類菌體構成根瘤器官(圖1)。 

     

    1 寄生植物吸器和豆科植物根瘤的發育過程 

      吸器和根瘤分別是植物在進化過程中演化獲得的寄生器官和共生器官,而在近幾年的研究中發現二者在發育和調控方面具有一些相似之處。近日,中國科學院昆明植物研究所植物互作分子調控機制人才組組長崔松巋與日本奈良先端科學技術大學院大學植物共生學實驗室的吉田聡子(Satoko Yoshida)教授團隊、筑波大學生命環境系的壽崎拓哉(Takuya Suzaki)準教授合作,在Current Opinion in Plant Biology發表了題為Developing for nutrient uptake: Induced organogenesis in parasitic plants and root nodule symbiosis的綜述。該綜述根據近幾年取得的重要研究成果重點從三個方面對比介紹了吸器與根瘤發育調控過程的共享機制:(1)吸器與根瘤的發生都要依賴互作生物所分泌的信號物質;(2)吸器與根瘤的發育過程均受到內源植物激素(主要是:細胞分裂素、生長素和乙烯)的動態調控;(3)環境氮素抑制吸器和根瘤的多個發育階段(圖2)。 

     

    吸器和根瘤形成的調控 

      文章最后重點討論了轉錄因子NINNLPs在根瘤發生與根瘤菌侵染的正負向調控過程中發揮的關鍵作用,NLPs作為關鍵媒介能夠整合環境信號和結瘤信號來調控根瘤發生,從而有效提高植物氮吸收能力。目前推測吸器的誘導和發育可能也受到某幾個關鍵因子的調控,而發現這些關鍵調控因子將有利于深入了解吸器發生的分子機制、植物寄生的演化歷程以及寄生植物在復雜環境下的寄生行為。該綜述展示了植物器官形成的高度靈活性,在改造植物器官使之與其他生物建立互作連接,進而促進重要經濟作物營養吸收、提高環境適應能力等方面提出重要見解。 

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    (責任編輯:李雪)

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