地下奇特寄生植物：放棄光合作用與有性繁殖仍能頑強繁衍

日本神戶大學等機構的研究團隊近日發布最新成果，聚焦一類幾乎完全生活在地下的奇異植物——蛇菰（Balanophora），揭示這些早已放棄光合作用、部分物種甚至幾乎不再進行有性繁殖的植物，如何依然在自然生態系統中成功生存和擴散。

研究指出，蛇菰植物并不像典型植物那樣依賴葉綠體進行光合作用獲取能量，而是作為寄生植物，將吸器深入其他植物根部，直接汲取宿主提供的營養，大部分時間隱身于黑暗潮濕的林下土壤，只在開花季短暫“露面”。更極端的是，其中一些物種幾乎完全轉向無性繁殖，只靠不經授粉受精就能形成的種子來延續種群。

神戶大學植物學家末次健司表示，其長期目標是“重新思考‘植物’這一概念的真正內涵”，因此對那些已經放棄光合作用的植物格外著迷，希望通過蛇菰的研究，厘清在這一劇烈演化過程中，植物在基因組、細胞結構以及繁殖方式上發生了哪些深層變化。

此次研究的核心之一，是首次系統整合蛇菰的系統發育關系、質體（plastid）基因組演化以及其繁殖策略與生境條件之間的對應關系。研究團隊指出，過去雖然已有零散工作分別關注它們的基因組縮減、生態適應或繁殖方式，但這三條線索一直未被放在同一框架下綜合考察。

科研人員通過多年在陡峭濕潤山地森林中的田野調查，并依托與當地自然觀察者建立的長期合作積累了大量樣本，同時聯合沖繩科學技術大學院大學等機構中專攻高度縮減基因組的研究團隊，完成了蛇菰多物種的系統發育和質體基因組分析。結果表明，所有受檢物種都擁有極度“瘦身”的質體基因組，而這種“極簡化”是在該類群共同祖先階段就已發生，隨后才分化出各個現存物種。

從表面看，這些質體似乎已經瀕臨“消失”，但進一步分析發現，大量蛋白質仍被合成并運送至質體內，說明雖然光合作用功能被徹底舍棄，質體依舊在代謝過程中扮演關鍵角色，仍是植物細胞中不可或缺的核心結構之一。研究團隊因此認為，蛇菰展示了“在最大限度壓縮基因組前提下，仍保留質體必需代謝功能”的極端范例，為理解植物細胞器功能保留與丟失的邊界提供了重要線索。

與光合作用普遍喪失不同，研究發現無性繁殖能力在蛇菰內是多次獨立演化出來的特征。團隊推測，能夠在缺乏授粉者或配偶個體時，通過無性方式直接形成種子，可能在該類群早期擴散過程中發揮了關鍵作用，使其得以跨越從日本本州經沖繩直到臺灣的一系列島嶼與山地環境。

末次健司指出，過去十年他在蛇菰授粉和種子傳播方面的研究發現，駱駝蟋蟀和蟑螂等看似“不起眼”的節肢動物在授粉和傳播中扮演了出人意料的重要角色。然而在授粉者稀少或個體分布極其零散的環境中，無性結實往往成為確保繁殖成功的“兜底”機制，并在部分物種中逐漸演化為主要甚至幾乎唯一的繁殖方式。

該研究以“系統發育基因組學厘清蛇菰演化歷史、縮減質體的代謝保留以及強制性無融合生殖的起源”為題，發表在植物學期刊《New Phytologist》上。論文不僅為理解非光合寄生植物如何維持細胞器功能、適應生態位和優化繁殖策略提供了新視角，也被視為進一步解析寄生植物與宿主相互作用機制的重要基礎。

末次健司表示，對他這樣在陰暗濕潤森林中長期追蹤這些地下植物的人來說，看到它們的“故事”在基因組層面被逐步拼合出來，具有特別的意義。下一步研究將嘗試把本次的基因組結果與具體的生化代謝測量相結合，弄清蛇菰質體究竟在生產哪些代謝產物，以及這些產物如何幫助它們在宿主根系內部生長、維持寄生生活方式。

編譯自/ScitechDaily