農(nóng)科院基因組所萬(wàn)方浩團(tuán)隊(duì)
薇甘菊 農(nóng)科院基因組所供圖
薇甘菊為害“現(xiàn)場(chǎng)” 農(nóng)科院基因組所供圖
美麗背后，暗藏殺機(jī)，在植物界亦是如此。
薇甘菊，名字甜美、模樣清新。殊不知，它卻是外來(lái)入侵的“瘋狂”植物殺手，以“死亡纏繞”為殺手锏，可匍匐變身“地毯”，也可順藤蔓形成覆蓋，給其他植物和生態(tài)造成危害。
認(rèn)清薇甘菊的入侵路徑和生長(zhǎng)機(jī)制，開(kāi)發(fā)抑制薇甘菊繁殖蔓延的技術(shù)，已成為當(dāng)前受災(zāi)地區(qū)的重大需求和重大難題。
近日，中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員萬(wàn)方浩、錢(qián)萬(wàn)強(qiáng)和樊偉團(tuán)隊(duì)與合作者共同構(gòu)建了染色體水平的高質(zhì)量薇甘菊參考基因組，從多個(gè)角度揭示了薇甘菊在全球入侵過(guò)程中的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化和快速生長(zhǎng)的分子機(jī)制，為薇甘菊的靶向分子干預(yù)防控新技術(shù)的研究提供了新思路與新方法。相關(guān)研究成果1月17日發(fā)表于《自然—通訊》。
“美麗殺手”
薇甘菊原產(chǎn)于南美洲和中美洲，現(xiàn)已廣泛分布于亞洲、南太平洋等地區(qū)的70多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，成為當(dāng)今世界熱帶、亞熱帶地區(qū)危害最嚴(yán)重的外來(lái)入侵雜草之一。
論文通訊作者之一萬(wàn)方浩告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，薇甘菊屬蔓藤植物，繁殖能力強(qiáng)，既可有性繁殖，又能無(wú)性繁殖。生長(zhǎng)能力極其旺盛，一個(gè)小節(jié)每年大約累計(jì)生長(zhǎng)1000米，每個(gè)小節(jié)還會(huì)生出無(wú)數(shù)分節(jié)，國(guó)外又稱其為“一分鐘一英里雜草”。
“它們善于纏繞和攀附于其他植物上，將它們覆蓋，阻止其他植物進(jìn)行光合作用，從而使其死亡。此外，薇甘菊還會(huì)釋放化學(xué)物質(zhì)影響土壤環(huán)境，從而抑制其他植物的種子萌發(fā)?！比f(wàn)方浩說(shuō)。因此，薇甘菊被冠以“生物多樣性終極殺手”之名，它導(dǎo)致入侵地區(qū)的生物多樣性降低，從而破壞生態(tài)系統(tǒng)。
薇甘菊是我國(guó)首批外來(lái)入侵物種之一。萬(wàn)方浩表示，上世紀(jì)初首先進(jìn)入香港地區(qū)，20世紀(jì)80年代入侵到深圳內(nèi)伶仃島，90年代時(shí)在珠三角地區(qū)發(fā)現(xiàn)大規(guī)模為害。隨后，薇甘菊肆意擴(kuò)張蔓延，入侵我國(guó)廣東、廣西、云南、海南等地，并發(fā)生大規(guī)模為害，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境與生物多樣性造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與嚴(yán)重的生物安全威脅。
粗略估計(jì)，僅珠三角地區(qū)每年因?yàn)檗备示盏姆簽E造成生態(tài)經(jīng)濟(jì)損失約5億元；在整個(gè)分布區(qū)，導(dǎo)致直接與間接經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)高達(dá)數(shù)十億元。
論文第一作者、中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所副研究員劉博表示，目前關(guān)于薇甘菊的入侵、傳播與擴(kuò)散的途徑尚沒(méi)有遺傳學(xué)證據(jù)證明，相關(guān)的防控研究較為薄弱。
“我們希望通過(guò)基因組學(xué)分析技術(shù)，解析薇甘菊快速生長(zhǎng)‘一分鐘一英里’的分子機(jī)制，為研究入侵生物的入侵機(jī)制、生物學(xué)特性及分子靶向防控技術(shù)（RNA干擾或基因編輯）的研發(fā)提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)?！眲⒉┱f(shuō)。
“不分晝夜 全身發(fā)力”
該研究構(gòu)建了染色體水平的高質(zhì)量薇甘菊參考基因組，利用比較基因組學(xué)、代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和土壤宏基因組學(xué)等技術(shù)，從多方面揭示了薇甘菊環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化與快速生長(zhǎng)的分子機(jī)制。
研究發(fā)現(xiàn)，薇甘菊有著較強(qiáng)的光合能力。
“薇甘菊是一種很‘勤奮’的植物，它在別的植物休息時(shí)間‘加班加點(diǎn)’吸收CO2”。論文通訊作者之一、華南師范大學(xué)教授彭長(zhǎng)連用“白天干活，晚上也加班”來(lái)描述薇甘菊快速生長(zhǎng)的光合作用重要機(jī)制。
薇甘菊屬C3植物，通過(guò)全基因組測(cè)序分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，在正常環(huán)境下（非干旱高溫、荒漠戈壁等較惡劣環(huán)境條件）生長(zhǎng)的薇甘菊可能存在另外一種光合作用碳同化途徑——景天酸代謝途徑（CAM途徑）。CAM途徑一般是生長(zhǎng)在熱帶及亞熱帶干旱及半干旱地區(qū)的一些肉質(zhì)植物所具有的一種光合代謝途徑，其葉片氣孔白天關(guān)閉，夜間開(kāi)放，是一種適應(yīng)極端環(huán)境的光合代謝途徑。
“擁有該途徑的植物一般光合速率降低，生長(zhǎng)緩慢，但能在惡劣的環(huán)境條件下生存和生長(zhǎng)，比如仙人掌、菠蘿等就屬于此類植物?！迸黹L(zhǎng)連說(shuō)。
研究人員利用轉(zhuǎn)錄組、有機(jī)酸的晝夜變化、酶活性和葉片氣孔電子顯微鏡結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，薇甘菊葉片的氣孔無(wú)論是白天還是黑夜均開(kāi)放，夜間CAM途徑中固定CO2的光合酶PEPC、NADP-ME的活性顯著高于白天，并且積累大量的有機(jī)酸——蘋(píng)果酸。這可能是薇甘菊其凈光合速率顯著高于其它C3植物，甚至接近C4植物的重要原因。
“也就是說(shuō)，在白天和夜晚，薇甘菊利用不同的光合途徑進(jìn)行CO2的固定，而為其快速生長(zhǎng)提供了充足的碳水化合物?！迸黹L(zhǎng)連說(shuō)，如果薇甘菊的這一光合作用特點(diǎn)未來(lái)通過(guò)進(jìn)一步的研究能在農(nóng)作物上實(shí)現(xiàn)，讓其也在晚上“加加班”將有助于提高其產(chǎn)量，這為農(nóng)作物光合途徑的改造，提升作物產(chǎn)量提供了新的思路和研究方向。
除此之外，薇甘菊的莖稈和葉片一樣，也具有較強(qiáng)的光合作用能力。
彭長(zhǎng)連告訴記者，“通常，葉片是植物光合作用的營(yíng)養(yǎng)器官，我們經(jīng)?？吹?，當(dāng)植物葉子枯萎凋落時(shí)，這個(gè)植物基本就死亡了，但薇甘菊不是。”
研究人員作了一組薇甘菊和6種伴生植物的剪葉對(duì)照實(shí)驗(yàn)，即人為剪掉所有植株的所有葉片。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，30天后，薇甘菊仍能夠正常生長(zhǎng)，而對(duì)照植物中90%以上的植株死亡。
隨后對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，薇甘菊剪葉后卡爾文循環(huán)中的關(guān)鍵基因的表達(dá)量均表現(xiàn)為顯著上調(diào)。
這一結(jié)果表明，薇甘菊的莖具有較強(qiáng)的光合補(bǔ)償能力，為其在新生環(huán)境的入侵、定植以及快速生長(zhǎng)提供了支撐。
“污染”土壤 植株“克星”
薇甘菊還有一件“生物武器”——化感作用。它通過(guò)根分泌一些有機(jī)化合物影響土壤，起到抑制植物的種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的作用，從而快速形成單優(yōu)種群，破壞入侵地的生物多樣性。
論文通訊作者之一、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授顏健介紹，該研究在前人工作的基礎(chǔ)上，分離提取了5種賈澤蘭屬特異的化感物質(zhì)單體化合物，并利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)構(gòu)建了其基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)，為進(jìn)一步研究代謝物質(zhì)合成通路奠定了基礎(chǔ)。
那么，薇甘菊的“生物武器”如何發(fā)揮威力？
研究人員利用土壤理化性質(zhì)、16S rRNA和根際土壤宏基因組等，就薇甘菊內(nèi)質(zhì)對(duì)土壤的氮循環(huán)作用進(jìn)行了系統(tǒng)分析，初步解析了這5種化感物質(zhì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)的作用機(jī)制。
結(jié)果表明，薇甘菊5種化感物質(zhì)對(duì)氮、磷、鉀等土壤養(yǎng)分的礦化有著促進(jìn)作用，即土壤中總氮含量顯著低于對(duì)照組，但有效氮顯著高于對(duì)照組。與對(duì)照組相比，薇甘菊根際土壤明顯地富集了與微生物氮固定相關(guān)的關(guān)鍵酶，同時(shí)減少了反硝化細(xì)菌的豐度。
“在反硝化作用過(guò)程中，反硝化細(xì)菌在多種酶的作用下將硝酸鹽轉(zhuǎn)換為氮?dú)夂鸵谎趸．?dāng)固氮菌增多，反硝化細(xì)菌減少時(shí)，可將大氣中的氮更多的保存在土壤中，這樣植物就可以獲得更多的氮源，以利于植物生長(zhǎng)?！狈畟ソ忉屨f(shuō)。
通過(guò)空白土壤添加5種薇甘菊內(nèi)質(zhì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明，在添加薇甘菊內(nèi)質(zhì)的土壤中，有效氮含量、土壤呼吸作用、固氮菌和氨化細(xì)菌的數(shù)目等均顯著提高。
上述結(jié)果表明，薇甘菊可能通過(guò)葉片和花的掉落，在土壤中釋放出大量化感物質(zhì)，并通過(guò)化感物質(zhì)加速了根際土壤的養(yǎng)分循環(huán)，為其快速生長(zhǎng)提供了充足養(yǎng)分，這為進(jìn)一步研究生物化肥提供了新的研究思路。
“該研究結(jié)合了高通量測(cè)序、多組學(xué)、生理生化和分子生物學(xué)等技術(shù)，從植物自我進(jìn)化，到植物代謝物對(duì)根際土壤微環(huán)境的協(xié)同進(jìn)化等方面，初步揭示了薇甘菊環(huán)境適應(yīng)性與快速生長(zhǎng)的分子機(jī)制，為進(jìn)一步研究?jī)?yōu)異性狀遺傳機(jī)制和開(kāi)發(fā)生物靶向分子干預(yù)防控技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?！眲⒉┱f(shuō)。
防控為害 迫在眉睫
在《薇甘菊——外來(lái)物種入侵中國(guó)》這份報(bào)告中提到：“有專家通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算，一粒薇甘菊種子，5年繁殖的數(shù)量可以達(dá)到若干若干兆株……不僅足以播種整個(gè)地球表面，甚至可以覆蓋太陽(yáng)系所有行星?！?/p>
關(guān)于薇甘菊，人們對(duì)其并非完全了解。
“我們發(fā)現(xiàn)了薇甘菊具有較高的光合能力，但弄清其具體的分子機(jī)制是接下來(lái)需要繼續(xù)研究的內(nèi)容。另外，薇甘菊主效化感物質(zhì)的合成通路中所涉及的關(guān)鍵基因或酶的功能并沒(méi)有被驗(yàn)證，化合物對(duì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)的分子機(jī)制，以及薇甘菊與土壤的互作機(jī)制也都有待進(jìn)一步研究挖掘。”錢(qián)萬(wàn)強(qiáng)表示。
防控薇甘菊為害，已成為全球行動(dòng)。
劉博介紹，目前全球薇甘菊防控，主要分為人工清除、化學(xué)農(nóng)藥防治和生物防控。人工清除費(fèi)時(shí)費(fèi)力，化學(xué)農(nóng)藥對(duì)生態(tài)系統(tǒng)、土壤養(yǎng)分、家禽家畜及人類健康都有著嚴(yán)重的危害，生物防治目前采取天敵昆蟲(chóng)防控和真菌防控。
“我們現(xiàn)在正探索生物防治方法，從國(guó)外引入了一種真菌，國(guó)外大量實(shí)驗(yàn)已驗(yàn)證這種真菌對(duì)薇甘菊具有高度專一性，不會(huì)對(duì)其他生物造成危害，在南太平洋等地投放后效果相當(dāng)顯著。我們引入后，增加諸多本地植物進(jìn)行測(cè)試，目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功，僅對(duì)薇甘菊有害，其他植物未受感染。待所有條件成熟后將可能逐步投放。”萬(wàn)方浩說(shuō)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-019-13926-4
