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来自 澳门新葡萄京在线 2019-09-25 16:49 的文章
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而寄生植物却从寄主植物这里,拟南芥之间离开

一种番茄可抵制寄生性藤蔓侵害

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植物的寄生生活

本报讯 一项新研究揭示,一种番茄能通过发现寄生植物的某种肽而阻遏寄生植物的攻击。在全球范围内,寄生植物每年会导致农作物发生数十亿美元的损失,更好地了解某些植物如何击退入侵者或有助减轻这些损失。

快速演化能帮助植物在不连续环境中播散

植物通常被我们认为是静态的生物,看上去温顺又可爱。然而,宁静之下,植物世界充满丛林法则,诡计、欺骗和偷袭,寄生植物与寄主植物之间为争夺生存资源而展开的战争一直都在静悄悄地进行着。

反折菟丝子是一种寄生植物,它能感染大多数双子叶植物的茎干,但一种番茄(Solanum lycopersicum)却是例外。植物有时会通过致病微生物分泌的独特的肽发现致病微生物,这会促使宿主植物分泌应激性的激素乙烯。德国图宾根大学Volker Hegenauer等认为,这种番茄可能用类似的策略应对寄生植物。

新的实验研究显示,快速演化会驱使在斑块状栖息地中的植物播散。面对气候变化,入侵物种和物种活动范围会对自然和管理生态系统构成两大威胁。然而,科学家们对物种通过地形扩散的生态与演化动态的了解是有限的。

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他们研究发现,该番茄对反折菟丝子超级敏感,但另外3种对照植物则不敏感。通过分析该番茄和另一种野生番茄间的自然变异,研究人员发现了导致这一敏感性的受体,他们将其命名为菟丝子受体1。当研究小组在另外两种植物(一种与该番茄非常接近,另一种则是其远亲)的叶子中诱导相应基因表达时,这两种植物都会对菟丝子肽做出反应:乙烯生成增加,它们都表现出对菟丝子侵害抵抗力的增加。

为了获得更多了解,Jennifer Williams和同事设置了一组在盆中种植的拟南芥,它们之间所设的间距为拟南芥种子能播散的平均距离的0、4、8或12倍。在它们经历了6个世代之后,研究人员进行了基因分析以确定每种拟南芥的演化速度。

植物的寄生生活

研究人员指出,仅对菟丝子受体1敏感,并不能驱动对菟丝子的免疫,因为某些对该受体缺乏敏感性的番茄植株仍有抵抗力。

他们发现,在连续地貌中,较快演化的拟南芥比没有演化的拟南芥播散得更远——小幅增加11%。相反,当环境为“斑块状”(例如,拟南芥之间距离为其种子能播散的平均距离的12倍)时,演化组拟南芥会比非演化组拟南芥的种子播散距离远3倍。有趣的是,拟南芥间的距离无论是其种子能播散的平均距离的4、8或12倍,它们的基因型改变都没有很大差异。不过,一个斑块样的环境确实与长得更高的演化拟南芥相关,长得高能将种子播散得更远。因此,在本例中,有利于长得更高及种子播散得更远的较大演化促使了拟南芥的蔓延。然而,作者们指出,斑块状地貌是否会直接选择种子能更好播散的拟南芥或是通过未被检测的与播散相关的特性而间接选择了种子能更好播散的拟南芥仍然是一个悬而未决的问题。

我们知道,大部分植物通过光合作用获得它们所需要得全部营养。而寄生植物却从寄主植物那里“偷窃”食物。换言之,它们依靠别的活着的植物生存。

《中国科学报》 (2016-08-03 第2版 国际)

扭曲光学:用新角度看待光线

那么,寄生植物是如何与寄主植物建立起寄生关系的呢?原来,掉落在寄主植物附近的寄生植物的种子,通过前者散发出的化学物质气味发现适合自己的寄主,然后开始发芽。寄生植物的某条侧根异化为吸根,吸根在寄主植物化学物质的吸引下,与寄主植物的表皮接触,并紧贴着寄主植物形成圆形的吸盘。之后,寄生植物分泌出带黏性的多聚糖,并将吸根尖尖的端部以植物生长的机械力穿透寄主植物,建立起与寄主植物相连并吸收其营养物质和水分的维管系统。

研究人员研发出产生扭曲微型光束的方法,它们与螺旋线相似。尽管在较大尺度上用庞大装置已经实现了这一壮举,但在微观尺度制造同样效果的能力仍然难以实现。然而,在较小尺度利用这种角度光线会通过增加信息传播速度而使电信与信息技术取得重要进展。在自然情况下,光线是以直线传播的,但当其有更多自由度时,它能用来储存比线性状态更多的信息。Pei Miao和同事在此对一种微环、圆筒样结构作出某些改变,该结构能被用来让光进行角度投射。该结果能导引光波沿着该圆筒内侧传播,但当光线同时以顺时针和逆时针方向传播时,这些光波会相互抵消。为了克服这一障碍,并让光线在该微型环中单向传播,研究小组添加了交替的锗与锗+铈层。通过这种策略安排,这些交替层使得光线汇聚成一个单点,并会通过该微型环做单侧传播,作者通过实验证实了后者。

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番茄能通过检测到寄生性藤蔓分泌的肽来抵抗其侵害

菟丝子

新的研究揭示,番茄能通过发现寄生植物的某种肽而阻止寄生植物的攻击。在全球范围内,寄生植物导致农作物数十亿美元的损失,更好地了解某些植物如何击退入侵者或能帮助减轻这些损失。反折菟丝子是一种寄生植物,它能感染大多数双子叶植物的茎干,但一个例外是一种叫Solanum lycopersicum的番茄。植物有时会通过致病微生物分泌的独特的肽而发现致病微生物,这会促使宿主植物分泌应激相关激素乙烯。在此,Volker Hegenauer等怀疑,S. lycopersicum番茄可能用类似的策略来应对寄生植物,他们证实了这一点。S. lycopersicum番茄对反折菟丝子超级敏感,另外3种对照植物则不敏感。通过分析S. lycopersicum番茄和另外一种野生番茄间的自然变异,研究人员发现了导致这一敏感性的受体并将其命名为菟丝子受体1。当研究小组在另外2种植物(一种与S. lycopersicum番茄非常接近,另一种则是S. lycopersicum的远亲)的叶子中诱导相应基因表达时,这两种植物都会对菟丝子肽做出反应:乙烯生成增加,它们都表现出对菟丝子侵害抵抗力的增加。但是作者们指出,仅对CuRe1敏感不能驱动对菟丝子的免疫,因为某些对CuRe1缺乏敏感性的番茄植株仍然对该寄生植物的感染有抵抗力。由Vardis Ntoukakis和Selena Gimenez-Ibanez撰写的《视角》更为详细地讨论了这些发现。

迄今为止,世界上被确认的寄生植物超过4000多种,分属于19个开花植物家族。最常见的寄生植物是菟丝子和不同种类的槲寄生(约占所有寄生植物物种的3/4)。菟丝子长成密密麻麻的杂草,覆盖作为寄主的木本植物。槲寄生是灌木植物,寄生在一些树木上,有时甚至反客为主,生长得比寄主植物更加兴旺茂盛,以至于大部分的叶丛都是寄生植物的,而不是寄主植物的。不过,科学家认为,虽然寄生植物需要长期利用寄主植物的水分和养分来维持自己的生存,但一般来说它们很少或者根本不会直接杀死寄主。

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寄生植物的种子主要受寄主植物的化学气味刺激而发芽。不过,种子发芽的方式还取决于它们是根寄生植物还是茎寄生植物。茎寄生植物用自己的茎干附在寄主植物上,根寄生植物则附着在寄主植物的根上。无论是根寄生植物还是茎寄生植物,都进化出了一种或多种寻找寄主、然后落地发芽的方式。大多数寄生植物都需要在接近寄主植物时才发芽,因为种子含有的营养物质资源有限,如果无法在较短时间里从寄主植物那里获得营养和水分补充,它们就会死去。寄生植物种子资源有限的部分原因是因为大多数寄生植物的种子都不能够以自养营养维持种子早期生长的需要。

根寄生植物的种子倾向于利用化学线索掌握种子发芽的时机,它们通常在与寄主植物相当接近时下开始发芽。例如,一种叫做“独脚金”

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独脚金

的玄参科半寄生草本植物,在离寄主植物3~4毫米时才会发芽,因为只有在如此近的距离下,它们才能接收到土壤里传来的“可以发芽”的化学信号。对于这种寄生植物来说,这一点非常关键,因为“独脚金”发芽后,种子内的营养物质只能维持它生长到4毫米左右。寄主植物根系分泌的化学物质会渗透溶滤到根系附近的土壤里,寄生植物的种子能感知到这些化学物质的存在,知道这里就是它们“安家落户”的合适地方,它们可以在这里发芽,然后依附寄主植物生长起来。这些化学信号是由多种化合物组成的,并不稳定,影响范围只有几米,强烈程度也随距离增加而逐渐减退。距离足够近的种子在化学信号的刺激下就会开始发芽。

各种植物发出的化学刺激信号不一样,或者说,寄主植物都有自己独特的化学信号。例如,玉米和稷属植物中的独脚金萌素,高粱属植物中的高粱内酯,红苜蓿中的列当醇等。

与根寄生植物不一样,茎寄生植物利用自身的胚乳资源能够存活一段时间。比如,菟丝子的种子落到地上后有可能需要静静地休眠长达5年之后,才有机会感受到附近某株寄主植物的存在。利用种子胚乳中的营养资源,菟丝子种子开始发芽,在胚乳资源耗尽之前,它可以有6天时间与寄主植物建立起寄生关系。

菟丝子利用两种方法寻找合适的寄主:当它的茎探测到寄主植物的气味后,就会向着寄主植物的方向缓缓“移动”(科学家利用番茄植物的气味进行的实验证实,菟丝子的茎会向着它喜欢的植物气味的方向生长);菟丝子还会利用光反射从附近植物中选择叶子中叶绿素含量较高的植株。

一些寄生植物可以选择多种不同的植物为寄主,甚至可以同时寄生在不同的物种上,例如菟丝子属、无根藤属就是这类不太“挑剔”的寄生植物。另一些寄生植物只选择少数几个种类的植物为寄主,有的甚至只对某一种植物“情有独钟”。例如,山毛榉寄生是一种全寄生的根寄生植物,它的寄主只有美国山毛榉。

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山毛榉

一些寄生植物,如独脚金、肉苁蓉、菟丝子等,会给经济作物和农作物的生长带来危害,不利于农业经济发展。槲寄生给森林和观赏树木带来的危害也不容低估。还有一些寄生植物具有一定的毒性,有可能引起各种健康问题,如造成肠道不适、脉搏虚弱等,在美国甚至发生过误食某种槲寄生植物导致死亡的事件。如果不小心接触到某些寄生植物,还有可能对皮肤产生刺激。

但是,寄生植物也并非都令人讨厌。一些寄生植物是人们所喜闻乐见的。例如,印第安画笔花是美国怀俄明州的州花;橡树槲寄生是俄克拉何马州植物的象征;一些具有观赏价值的寄生植物被专门栽培为观赏花卉,如肉蓰蓉等。大花草属开花寄生植物可开出世界上最大的花,蔚为壮观,它们的自然生长栖息地也成为热门旅游景点。寄生植物还具有重要的研究价值,科学家可以通过研究一些寄生植物是如何在进化过程丧失光合作用的,来研究光合作用的演变。此外,还有许多寄生植物可供人类食用或药用。

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印第安画笔花

开着小红花的寄生植物“独脚金”在离寄主植物很近距离才会发芽。

槲寄生是一种半寄生植物,寄生在一些树木上,常常生长得比寄主植物更加茂盛。树上的像叶子的植物就是槲寄生。

寄生植物分类

它们的寄主获取食物来源,它们不再需要绿叶,有的寄生植物还保留着绿色的叶子,本身也可通过光合作用获取部分食物。

按照寄生类型,寄生植物可分为六大类:全寄生、半寄生、专性寄生、兼性寄生、茎寄生和根寄生。全寄生植物没有叶绿素,不通过寄生它们就无法生存,必须完全依靠这种寄生关系存活。半寄生植物拥有部分光合能力,可自行吸收部分养分和水分,所以它们既可通过寄生方式生存,也可通过独立方式生存。专性寄生需要依靠寄主来完成整个生命周期,兼性寄生则不需要在其整个生命周期都依附于寄主植物。茎寄生植物用自己的茎干附在寄主上,根寄生植物则附着在寄主植物的根上。

美丽壮观的大花草寄生植物

大花草属是寄生开花植物的一个属类,大约28种大花草属寄生开花植物都是在东南亚地区被发现的,包括马来半岛、婆罗洲、苏门答腊、泰国和菲律宾。

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大王花

大花草生长在亚洲热带地区,这种寄生开花植物的花被称为大王花,是所有开花植物中最大的,直径通常可达1米,但这种花的味道很难闻。早在1791年~1794年之间,爪哇的路易斯·德尚就已经发现了这种寄生开花植物,但他的笔记和描述资料在1803年被英国人没收,直到1861年才重见天日。

这种寄生植物没有茎和叶子,也没有真正意义上的根,属于全寄生植物,它的吸附器官——吸根隐藏在藤蔓组织内,在寄主植物外面能够看到的部分只有五瓣的大花。有些种类的大花草属的花的直径可超过1米,重可达10千克。即使是最小的大花草属寄生植物的花朵,直径也可达12厘米。

大花草属寄生开花植物的花看上去美丽壮观,但它们发出的气味却十分难闻,很像腐肉,故被当地人称为“尸花”或“肉花”。而它们正是依靠这种难闻的气味吸引一些小飞虫等昆虫,将雄花的花粉传送给雌花。大多数大花草属单独开雄花和雌花,但也有一些种类为雌雄同体。人们对大花草属如何散播它们的种子知之甚少,但树鼩和其他爱吃果实的森林哺乳动物显然都是帮助大花草散播种子的好帮手。

五种有名的寄生植物

尸花

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这种植物拥有世界上最大的花——直径可超过1米,同时散发出强烈的腐肉味道。

槲寄生

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每逢圣诞节到来时,槲寄生就成为大受人们欢迎的植物。槲寄生属于半寄生植物,虽然需要从寄主那里获取营养和水分,但同时也通过自身的光合作用维持生存。

西澳圣诞树

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这也是一种半寄生植物。由于它们经常将吸根吸附在地下电缆上,因此会对地下电缆构成很大的威胁和危害。每年圣诞节前后,这种寄生植物就会开出鲜艳的橙色花朵,因此也被称为“圣诞树”。

鸟巢兰

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这种寄生植物很不寻常,因为它们从一种本身也依靠寄生于绿色植物的真菌那里吸取营养。鸟巢兰生活在山毛榉树的地下,人们唯一有机会见到它们的季节是在夏天——当它们长出黄色花茎的时候。

仙人掌槲寄生

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仙人掌槲寄生生长在智利,鲜红的寄生植物寄生在绿色的仙人掌上,成为一个非常亮眼的组合。

用嗅觉寻找寄主的菟丝子

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在美国农业科学研究所大楼里的一个人工照明植物生长室里,种植着成排的番茄植物,在它们的附近生长着菟丝子,菟丝子的卷须正在卷向多汁而营养丰富的番茄叶子。研究人员莫拉埃斯一边嗅着生长室里的空气,一边说:“敏感的鼻子可以分辨出番茄植物发出的正常气味和在压力下发出的气味。番茄植物在受到攻击时发出的甜香气味更加浓郁。在受到寄生植物危害和虫害时,它们发出的气味信号也不一样。”

为了区别番茄植物在受到寄生植物攻击和遭受虫害时发出的不同信号,莫拉埃斯花了好几个晚上观察它们。她还想知道它们在夜晚和白天释放的气味是不是不同。在对它们释放气味的化学物质进行分析后,她发现事实正是如此。当人们问她:几个晚上整夜不睡值得吗?她说:“当你发现了以前从没有人发现的秘密时,你会觉得没有比这更好的回报了。”

菟丝子属寄生植物分布于全世界热带和温带地区,是一种以茎干依附于寄主植物的全寄生植物,它们缠绕在其他植物上吸取水分和养分,全部依靠另一种植物来维系生存。

菟丝子种子在发芽时,并不是长出根系来吸收营养,而是伸展枝条缠绕在其他植物上吸取营养。新生长出来的菟丝子嫩芽必须在一个星期内找到寄主才能活下来。菟丝子有时甚至缠绕上不只一株植物,它们就像意大利面条一样虬结缠绕在一起。

菟丝子用它的卷须紧紧缠绕着它的寄主,摄取寄主的能量和营养素,虽然不会一下子置寄主于死地,但却会极大地影响和危害寄主的健康生长。不过,这样一个危害极大的植物“猎食者”,在找到宿主之前,它只能长到约10厘米。对于菟丝子来说,如何在发芽后的短短几天里迅速找到寄主植物,是一个关乎生死的问题。如果在一个星期内找不到寄主,它就会死亡。原因在于,与大多数植物不同,菟丝子不能通过光合作用产生自己的营养物质,也不能落地生根。所以,宿主植物是它唯一的营养来源。菟丝子为了生存必须做出明智的选择。番茄植物是它的优先选择,其提供的营养明显超过其他植物。当然,如果在没有选择的情况下,菟丝子也会缠绕上附近的其他植物。

菟丝子的嗅觉能力很强,可闻到番茄植物释放出的挥发物的气味。这种由乙醇、乙醛和萜烯构成的化学物质,闻起来很像香水。众所周知,植物能够通过散发气味来吸引昆虫授粉。而莫拉埃斯的研究发现,植物不但能传达“来吧,我这里有好吃的”这样的信号,而且还能表达其他一些特殊的意思。昆虫攻击植物,植物在压力下释放出各种化学物质。例如,一种烟草植物在受到飞蛾侵害时,会发出某种信号招徕飞蛾的天敌黄蜂,利用后者保护自己。植物的这种反应能力表明,它们并不像我们想象的那样始终处于被动地位,毫无抵抗能力。莫拉埃斯说,我们还没有发现不能释放化学物质的植物。更神奇的是,寄生植物不但能感知植物发出的气味,还能精确区分各种不同的气味,以做出正确的选择。

那么,菟丝子是如何被番茄吸引过来的呢?研究人员认为,它们是通过番茄释放的化学气味来来准确定位其位置的。为了证明这一假设,研究人员给菟丝子准备了多种潜在的“猎物”让它们选择。他们想知道一种喜欢缠绕番茄植物的菟丝子藤是如何寻找到寄主的,它们又是如何通过识别猎物的气味,以惊人的准确性和效率向目标发起攻击的。

莫拉埃斯说:“我们想要弄清楚这种寄生植物是如何发现目标线索的,是通过视觉还是别的什么途径。我们的首要问题是,它能找到寄主植物吗?如果我们给它设置一些障碍,比如让寄主植物脱离它的视线范围,它还会继续向着寄主植物所在的方向生长吗?”

研究人员将菟丝子嫩芽安置在几个可能的目标附近,包括几盆湿润的土壤,几小罐染色的水,几株番茄幼苗,一杯融入了从番茄植物中提取的化学气味的水。此外,还有一株用橡胶制作的人造番茄。

实验结果发现,菟丝子嫩芽会向着番茄幼苗的方向,以及那杯散发着番茄气味的水延伸过去,对人造番茄植物它们则完全没有兴趣——无论后者被做得多么逼真,与真的番茄植物多么相像,就算加上湿润的土壤和装着红水或绿水的小瓶子,菟丝子都不为所动。而当研究者将从番茄中提取出来的散发着独特气味的化学物质涂抹在橡胶番茄上时,菟丝子就立即将它的卷须向着橡胶番茄的方向卷去。

研究人员有时还故意将寄主目标隐藏起来,让菟丝子藤“看”不到它们。在这种情况下,菟丝子嫩芽仍然会通过“嗅闻”气味向着目标方向生长。通过将菟丝子嫩芽安置在不同植物的附近,研究人员发现,菟丝子最喜欢的植物之一是番茄。如果让它们在番茄和小麦之间进行选择,它们总是选择番茄。如果有两种以上的寄主植物,菟丝子会做出最有利于自己的选择。比如在番茄和小麦中,番茄显然是它们的第一选择。当然,如果只有小麦,菟丝子也不会放过机会。

研究人员对构成番茄气味的7种成分进行测试后发现,吸引菟丝子的有3种成分。其中一种成分也出现在小麦的化学气味中,但小麦的化学气味中有一种成分是菟丝子很讨厌的。这一发现也许可以帮助研究人员研发出控制菟丝子危害小麦农作物的办法。

菟丝子有许多俗称,如“勒死草”、“女巫的鞋带”等,在美国被列入危害最大的十大杂草,这些杂草每年给美国农民造成数百万美元的损失。除了专门攻击番茄作物的菟丝子,还有150种其他种类的菟丝子分别以其他许多经济作物为攻击目标,包括胡萝卜、小红莓、洋葱、柑橘树和苜蓿等。菟丝子很难被彻底清除掉,因为除草剂同时也会杀死寄主植物。

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