在自然界中，絕大多數植物都是自養的，通過光合作用獲取生長發育以及繁殖所需的能量。然而，除了自身光合作用獲取碳源營養之外，一些植物部分或完全地依賴其他生物獲取營養，我們稱之為異養植物。其中，大部分異養植物的光合能力較自養植物更低，部分植物光合作用大幅度降低甚至完全喪失；此外，一些異養植物為了適應生存環境，大幅度地改變自身形態。異養植物具有獨特的生理、生態和進化歷史。
異養植物中，有一部分是依賴真菌提供營養的，被稱為菌異養植物；菌異養植物在苔蘚類、單子葉植物和雙子葉植物中獨立進化了40多次，包括初期菌異養、部分菌異養和完全菌異養三種異養型。其中，作為菌異養植物代表的蘭科植物，不僅具有豐富的生態和進化多樣性外，而且攬括了全部的菌異養類型，是研究菌異養植物的理想類群。蘭科天麻屬植物天麻（Gastrodia elata）是一種完全菌異養的植物，是東亞地區的一種重要中草藥，其完全依賴真菌小菇（Mycena）和密環菌（Armillaria）完成整個生活史。另一類依賴其他植物提供營養的被稱為寄生植物，它們約占被子植物的1%，其中獨腳金（Striga）、列當（Orobanche）以及菟絲子（Cuscuta）等寄生植物嚴重威脅著農業和林業生產。菟絲子是旋花科中唯一的寄生植物種屬，幾乎失去光合作用能力，完全依賴寄生於植物得以生存。同天麻相似，菟絲子也沒有根或明顯的葉子。完全菌異養和全寄生植物代表了寄生進化的高級階段，它們雖然獨立地進化出了其完全寄生（完全異養）的生活習性，但它們有著有一定相似度的生理、生態和發育特徵。
近期，中國科學院昆明植物研究所吳建强團隊利用三代測序和Hi-C科技組裝了染色體級別的天麻基因組。在此基礎上，將蘭科菌異養植物和獨腳金、菟絲子等寄生植物及其他多個植物系統發育分枝上的重要代表物種，包括無油樟、單子葉植物和雙子葉植物等代表植物進行了比較基因組學分析。研究結果顯示：1）與自養植物相比，菌異養和寄生植物的基因家族都顯著性收縮，在半寄生植物獨腳金和初期真菌異養型蘭科植物中遺失了約4-5%的保守基因家族，但在完全異養型的天麻和南方菟絲子中卻遺失高達10%的保守基因家族，即基因家族的收縮的程度與植物異養習性密切相關；2）隨著異養程度地加深，植物基因遺失程度也逐步加劇，即基因遺失與異養程度呈正相關（圖1）；3）在完全菌異養和全寄生植物中，存在著基因遺失的趨同進化（圖1）；4）天麻和南方菟絲子中許多自養所必需得基因都發生了遺失，包括涉及光合作用、生物鐘、開花時間調控（圖2）、免疫調控、營養吸收和根葉發育等通路的關鍵基因。囙此，研究人員推斷，在具有異養生活方式的植物中，基因遺失及其隨之而來的生理變化可能是為了適應其生存環境和生活習性，受到正向的自然選擇。
本研究不但提供了一個高品質天麻基因組，為天麻的生理、生態和進化研究提供了重要基礎，研究結果還揭示了基因遺失驅動的基因組進化在異養生活方式植物中的關鍵作用，為將來針對异養植物的生理、生態和進化生物學研究提供了新思路。
該研究成果以“A chromosome-scaleGastrodia elatagenome and large-scale comparative genomic analysis indicate convergent evolution by gene loss in mycoheterotrophic and parasitic plants”為題發表在Plant Journal雜誌上，中國科學院昆明植物研究所博士後許宇星和助理研究員雷雲霆為該論文共同第一作者，吳建强研究員為通訊作者。該項目得到中國科學院生物互作卓越中心、中國科學院B類先導專項培育項目、國家自然科學基金專案、雲南省應用基礎研究計畫重點專案、中國科學院科技扶貧項目、科技入滇、中國博士後科學基金以及生物資源數位化、開發與應用等經費的支持。
文章連結
圖1.菌異養植物和寄生植物基因遺失的模式
圖2.植物開花調控基因的遺失