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菟絲子介導寄主間氮系統性信號傳遞取得新進展

文章来源:資源植物與生物技術重點實驗室  |  发布时间:2020-11-18  |  作者:张井雄  |  浏览次数:  |  【打印】 【關閉

 

  菟絲子是一種莖寄生植物,與其他寄生植物一樣,菟絲子通過特化的器官——吸器從寄主中獲取營養物質。自然界中,菟絲子經常會寄生多株植物,形成微群落。中國科學院昆明植物研究所吴建强研究团队的前期工作表明,菟丝子能够在不同寄主间传递抗虫信号,增强相邻植株的抗虫性;此外,盐胁迫信号也能通过菟丝子传递,增强相连寄主抗盐胁迫的能力。相比昆虫取食和盐胁迫,植物更频繁面对的是营养缺乏。氮元素是最重要的营养元素之一,在土壤中分布常常不均。菟丝子能否够传递营养胁迫信号,目前还没有研究报道。 

  近日,該團隊繼續利用上述系統,綜合使用轉錄組學、甲基化組學及同位素標記等方法,揭示了菟絲子介導寄主間氮系統性信號及氮交流的生物學現象。研究人員通過菟絲子連接不同寄主,設置嚴格對照組,詳細分析不同寄主氮缺乏誘導的的轉錄組變化。研究結果表明,氮脅迫條件下,最早2小時,脅迫信號就能夠通過菟絲子傳遞到相連未受脅迫的寄主,並影響其轉錄組變化,這種變化持續了至少兩天。甲基化組數據結果也表明,這種系統性氮脅迫信號,還能引起相連寄主的甲基化水平修飾的變化。重要的是,他們研究發現,氮系統性信號不僅可以從氮缺乏的寄主傳遞到不缺氮的寄主,也同樣會從不缺氮的寄主傳遞到氮缺乏的寄主,這是首次發現菟絲子能夠在寄主間雙向傳遞移動信號(圖1)。有趣的是,與寄主相比,菟絲子只有極少數的基因發生差異表達,這與之前的研究結果是一致的1,2,這說明菟絲子對大多數寄主産生的移動信號可能並不敏感。深入解析菟絲子和寄主的轉錄組數據還發現,菟絲子和寄主間有大量的mRNA交流(從2個到3878不等),而且這種寄主和菟絲子間移動的mRNA數量還會隨著寄主所處氮環境變化而變化。 

  研究團隊還通過同位素標記的實驗方法發現,當菟絲子連接大豆和黃瓜後,黃瓜産生的氮缺乏的系統性信號卻可以通過菟絲子誘導了臨近大豆寄主的氮吸收,間接促進了整個微群落的總氮量的增加(圖2)。 

  本研究首次研究了菟絲子連接的寄主間通過氮元素及氮系統信號的相互作用,本研究揭示氮系統性信號的雙向性對理解植物系統性信號也有重要意義。該研究成果以Parasite Cuscuta campestris enables transfer of bidirectional systemic nitrogen signals between host plants爲題發表在Plant Physiology杂志上,中國科學院昆明植物研究所博士研究生张井雄为该论文第一作者,吴建强研究员和申国境助理研究员为通讯作者。该项目得到国家自然科学基金项目、中國科學院国际合作项目、中科院十三五信息化计划项目等经费的支持。 

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圖1.菟絲子介導寄主間氮系統性信號的交流,導致菟絲子連接寄主轉錄組的劇烈變化(數字表示以CN+爲對照,不同處理時間的差異表達基因)。 

 

图2. 该研究提出的工作模型。 

菟絲子介導了氮系統性信號的傳遞,能夠引起菟絲子連接的寄主轉錄組和DNA甲基化組的改變。 

 

  1. Qin, Y. et al. The host jasmonic acid pathway regulates the transcriptomic changes of dodder and host plant under the scenario of caterpillar feeding on dodder. BMC Plant Biol. 19, 540, doi:10.1186/s12870-019-2161-8 (2019). 

  2. Zhuang, H. et al. Aphid (Myzus persicae) feeding on the parasitic plant dodder (Cuscuta australis) activates defense responses in both the parasite and soybean host. New Phytol. 218, 1586-1596, doi:10.1111/nph.15083 (2018). 

(責任編輯:李雪)

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