薇甘菊：“猖獗”的植物杀手

 
 
薇甘菊：“猖獗”的植物杀手  
 

农科院基因组所万方浩团队

薇甘菊   农科院基因组所供图

薇甘菊为害“现场”    农科院基因组所供图

瑰丽背后，潜伏杀机，在植物界亦是如此。

薇甘菊，名字甜美、容貌清新。殊不知，它却是外来入侵的“猖獗”植物杀手，以“灭亡缠绕”为杀手锏，可匍匐变身“地毯”，也可顺藤蔓形成包围，给其他植物和生态造成危害。

认清薇甘菊的入侵路径和发展机制，开拓抑制薇甘菊繁殖伸张的技能，已成为当前受灾地域的重大需求和重浩劫题。

克日，中国农科院深圳农业基因组研究所研究员万方浩、钱万强和樊伟团队与相助者配合构建了染色体程度的高质量薇甘菊参考基因组，从多个角度展现了薇甘菊在全球入侵进程中的情况适应性进化和快速发展的分子机制，为薇甘菊的靶向分子干防范控新技能的研究提供了新思路与新要领。相关研究成就1月17日颁发于《自然—通讯》。

“瑰丽杀手”

薇甘菊原产于南美洲和中美洲，现已遍及漫衍于亚洲、南太平洋等地域的70多个国度和地域，成为当当代界热带、亚热带地域危害最严重的外来入侵杂草之一。

论文通讯作者之一万方浩汇报《中国科学报》，薇甘菊属蔓藤植物，繁殖本领强，既可有性繁殖，又能无性繁殖。发展本领极其旺盛，一个小节每年约莫累计发展1000米，每个小节还会生出无数分节，海外又称其为“一分钟一英里杂草”。

“它们善于缠绕和高攀于其他植物上，将它们包围，阻止其他植物举办光合浸染，从而使其灭亡。另外，薇甘菊还会释放化学物质影响泥土情况，从而抑制其他植物的种子萌发。”万方浩说。因此，薇甘菊被冠以“生物多样性终极杀手”之名，它导致入侵地域的生物多样性低落，从而粉碎生态系统。

薇甘菊是我国首批外来入侵物种之一。万方浩暗示，上世纪初首先进入香港地域，20世纪80年月入侵到深圳内孤立岛，90年月时在珠三角地域发明大局限为害。随后，薇甘菊肆意扩张伸张，入侵我国广东、广西、云南、海南等地，并产生大局限为害，对内地农林业出产、生态情况与生物多样性造成庞大的经济损失与严重的生物安详威胁。

大致预计，仅珠三角地域每年因为薇甘菊的泛滥造成生态经济损失约5亿元；在整个漫衍区，导致直接与间接经济损失预计高达数十亿元。

论文第一作者、中国农科院深圳农业基因组研究所副研究员刘博暗示，今朝关于薇甘菊的入侵、流传与扩散的途径尚没有遗传学证据证明，相关的防控研究较为单薄。

“我们但愿通过基因组学阐明技能，理会薇甘菊快速发展‘一分钟一英里’的分子机制，为研究入侵生物的入侵机制、生物学特性及分子靶向防控技能（RNA滋扰或基因编辑）的研发提供基本和理论依据。”刘博说。

“不分昼夜 全身发力”

该研究构建了染色体程度的高质量薇甘菊参考基因组，操作较量基因组学、代谢组学、转录组学和泥土宏基因组学等技能，从多方面展现了薇甘菊情况适应性进化与快速发展的分子机制。

研究发明，薇甘菊有着较强的光合本领。

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“薇甘菊是一种很‘勤奋’的植物，它在此外植物休息时间‘加班加点’接收CO2”。论文通讯作者之一、华南师范大学传授彭长连用“白日干活，晚上也加班”来描写薇甘菊快速发展的光合浸染重要机制。

薇甘菊属C3植物，通过全基因组测序阐明，研究人员发明，在正常情况下（非干旱高温、荒野沙漠等较恶劣情况条件）发展的薇甘菊大概存在别的一种光合浸染碳同化途径——景天酸代谢途径（CAM途径）。CAM途径一般是发展在热带及亚热带干旱及半干旱地域的一些肉质植物所具有的一种光合代谢途径，其叶片气孔白日封锁，夜间开放，是一种适应极度情况的光合代谢途径。

“拥有该途径的植物一般光合速率低落，发展迟钝，但能在恶劣的情况条件下保留和发展，好比仙人掌、菠萝等就属于此类植物。”彭长连说。

研究人员操作转录组、有机酸的昼夜变革、酶活性和叶片气孔电子显微镜功效阐明发明，薇甘菊叶片的气孔无论是白日照旧黑夜均开放，夜间CAM途径中牢靠CO2的光合酶PEPC、NADP-ME的活性显著高于白日，而且积聚大量的有机酸——苹果酸。这大概是薇甘菊其净光合速率显著高于其它C3植物，甚至靠近C4植物的重要原因。

“也就是说，在白日和夜晚，薇甘菊操作差异的光合途径举办CO2的牢靠，而为其快速发展提供了富裕的碳水化物。”彭长连说，假如薇甘菊的这一光合浸染特点将来通过进一步的研究能在农作物上实现，让其也在晚上“加加班”将有助于提高其产量，这为农作物光合途径的改革，晋升作物产量提供了新的思路和研究偏向。

除此之外，薇甘菊的茎秆和叶片一样，也具有较强的光合浸染本领。

彭长连汇报记者，“凡是，叶片是植物光合浸染的营养器官，我们常常看到，当植物叶子枯萎干枯时，这个植物根基就灭亡了，但薇甘菊不是。”

研究人员作了一组薇甘菊和6种伴生植物的剪叶比较尝试，即工钱剪掉所有植株的所有叶片。功效发明，30天后，薇甘菊仍可以或许正常发展，而比较植物中90%以上的植株灭亡。

随后对其举办转录组阐明，功效发明，薇甘菊剪叶后卡尔文轮回中的要害基因的表达量均表示为显著上调。

这一功效表白，薇甘菊的茎具有较强的光合赔偿本领，为其在新生情况的入侵、定植以及快速发展提供了支撑。

“污染”泥土 植株“克星”

薇甘菊尚有一件“生物兵器”——化感浸染。它通过根排泄一些有机化合物影响泥土，起到抑制植物的种子萌发和发展的浸染，从而快速形成单优种群，粉碎入侵地的生物多样性。

论文通讯作者之一、华南农业大学传授颜健先容，该研究在前人事情的基本上，疏散提取了5种贾泽兰属特异的化感物质单体化合物，并操作转录组数据构建了其基因共表达网络，为进一步研究代谢物质合成通路奠基了基本。

那么，薇甘菊的“生物兵器”如何发挥威力？

研究人员操作泥土理化性质、16S rRNA和根际泥土宏基因组等，就薇甘菊内质对泥土的氮轮回浸染举办了系统阐明，劈头理会了这5种化感物质促进泥土养分轮回的浸染机制。

功效表白，薇甘菊5种化感物质对氮、磷、钾等泥土养分的矿化有着促进浸染，即泥土中总氮含量显著低于比较组，但有效氮显著高于比较组。与比较组对比，薇甘菊根际泥土明明地富集了与微生物氮牢靠相关的要害酶，同时淘汰了反硝化细菌的品貌。

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“在反硝化浸染进程中，反硝化细菌在多种酶的浸染下将硝酸盐转换为氮气和一氧化二氮。当固氮菌增多，反硝化细菌淘汰时，可将大气中的氮更多的生存在泥土中，这样植物就可以得到更多的氮源，以利于植物发展。”樊伟表明说。

通过空缺泥土添加5种薇甘菊内质尝试，进一步证明，在添加薇甘菊内质的泥土中，有效氮含量、泥土呼吸浸染、固氮菌和氨化细菌的数目等均显著提高。

上述功效表白，薇甘菊大概通过叶片和花的掉落，在泥土中释放出大量化感物质，并通过化感物质加快了根际泥土的养分轮回，为其快速发展提供了富裕养分，这为进一步研究生物化肥提供了新的研究思路。

“该研究团结了高通量测序、多组学、生理生化和分子生物学等技能，从植物自我进化，到植物代谢物对根际泥土微情况的协同进化等方面，劈头展现了薇甘菊情况适应性与快速发展的分子机制，为进一步研究优异性状遗传机制和开产生物靶向分子干防范控技能奠基坚硬的理论基本。”刘博说。

防控为害 迫在眉睫

在《薇甘菊——外来物种入侵中国》这份陈诉中提到：“有专家通过数学公式计较，一粒薇甘菊种子，5年繁殖的数量可以到达若干若干兆株……不只足以播种整个地球外貌，甚至可以包围太阳系所有行星。”

关于薇甘菊，人们对其并非完全相识。

“我们发明白薇甘菊具有较高的光合本领，但弄清其详细的分子机制是接下来需要继承研究的内容。别的，薇甘菊主效化感物质的合成通路中所涉及的要害基因或酶的成果并没有被验证，化合物对促进泥土养分轮回的分子机制，以及薇甘菊与泥土的互作机制也都有待进一步研究挖掘。”钱万强暗示。

防控薇甘菊为害，已成为全球动作。

刘博先容，今朝全球薇甘菊防控，主要分为人工排除、化学农药防治和生物防控。人工排除费时艰辛，化学农药对生态系统、泥土养分、家禽家畜及人类康健都有着严重的危害，生物防治今朝采纳天敌昆虫防控和真菌防控。

“我们此刻正摸索生物防治要领，从海外引入了一种真菌，海外大量尝试已验证这种真菌对薇甘菊具有高度专一性，不会对其他生物造成危害，在南太平洋等地投放后结果相当显著。我们引入后，增加诸多当地植物举办测试，今朝尝试室内尝试已经乐成，仅对薇甘菊有害，其他植物未受传染。待所有条件成熟后将大概慢慢投放。”万方浩说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-019-13926-4

 

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