能說是植物嗎?大王花的基因幾乎都是偷來的

大王花不只很臭,還不肯自己進行光合作用;它是寄生植物,而且基因超級可疑。

 

  大花草科的成員「大王花」(Rafflesia arnoldii)擁有全世界最大的花,直徑可超過1公尺,重量可達10公斤,跟一名幼兒的重量差不多。大王花不只很臭,還不肯自己進行光合作用;它是寄生植物,而且基因超級可疑;它會從宿主身上竊取新的基因,將自己本來的基因清除掉,但卻不停複製重複的基因,導致自己的基因體變得異常龐大。

 

  起初它們彷彿隱形藏在東南亞的森林裡,以細胞的形式寄生在藤蔓宿主的重要組織上吸取營養生長。即使在顯微鏡下,這些細胞與藤蔓本身的細胞幾乎沒有區別,它們看起來更像是真菌而非植物。但是,當繁殖的欲望喚醒它們時,大花草科的成員就會長出巨大、沒有莖、表面滿是圓點的紅色「屍花」,散發出一股腐爛肉的臭味吸引授粉的腐肉蠅。

 

  十多年前,布魯克林長島大學的演化植物生物學家珍妮爾・莫利納(Jeanmaire Molina)開始對大花草科感興趣,她好奇它們的基因體是否跟外表一樣奇特。初步研究表明確實如此,她和同事2014年在《分子生物學與演化》(Molecular Biology and Evolution)發表的研究成功為菲律賓的大王花粒線體DNA定序。然而,他們沒辦法在大王花上檢測出葉綠體的任何功能基因,它們似乎直接拋棄了整個葉綠體基因體。

 

  這個情況很難想像,因為葉綠體負責行光合作用,而且跟所有的色素體一樣,葉綠體也是參與許多細胞過程的關鍵基因。莫利納指出,瘧原蟲至今還攜帶著色素體基因體,即使它們最後一批行光合作用的祖先生活在數億年前。

 

  這個驚人的發現已經被哈佛大學的一個獨立研究團隊證實,發表在《當代生物學》(Current Biology)期刊的論文研究了另一個大花草科成員,並在基因體草圖中發現許多驚喜:寄生植物不但會清除多餘的基因,還會從宿主那裡偷走有用的新基因。大王花似乎是在告訴科學家,人類還需要更深入研究基因體,尤其是植物和寄生生物的基因體——因為這類生物佔了地球上所有已知物種的40%以上。

 

大花草科的成員會長出巨大、沒有莖、表面滿是圓點的紅色「屍花」,散發出一股腐爛肉的臭味吸引授粉的腐肉蠅。

 

  哈佛大學有機體與演化生物學教授查爾斯・戴維斯(Charles Davis)也對大花草科很感興趣,他稱其為「25萬種開花植物中最有魅力也最神秘的一種」。近15年來,他不斷嘗試找出大花草科的更多秘密,但事實證明,為它們的核基因體定序非常困難。後來,他的博士生蔡麗敏(Liming Cai,音譯,現在是加州大學河濱分校系統生物學博士後研究員)帶頭開始進行研究,並在哈佛大學生物資訊主任提摩西・薩克頓(Timothy Sackton)的幫助下,最終拼湊出寄生花(Sapria himalayana,大花草科寄生花屬下的一個種)的基因體草圖。

 

  寄生花的基因體遵循了其他寄生植物的一些趨勢,例如它也清除了許多被認為是植物存活的重要基因。由於寄生植物從宿主身上竊取基因,所以它們基本上是把新陳代謝的工作全都外包了,因此也不再需要一個獨立植物應有的細胞。

 

  戴維斯還發現,在其他寄生植物中廣泛存在的近一半基因已經被寄生花清除,它比其他寄生植物如菟絲子清除的基因多出兩倍,比農作物殺手獨腳金清除的基因多出四倍,戴維斯說:「我們知道寄生植物會清除基因,但我們沒想到竟然把44%的基因都拋棄了。」

 

  此外,莫利納在大王花的研究中,驚訝地發現大王花缺少了整個色素體基因體。在其他已知生物中,唯一拋棄色素體基因體的是多環藻屬(Polytomella)的單細胞藻類,它們為了從周圍水域吸收養分而放棄行光合作用。

 

  這項新發現雖然令人開心,但也讓科學家很困惑,因為大王花似乎仍然在製造色素體的隔間,莫利納說:「當我們用電子顯微鏡進行研究時,我們發現了色素體,但裡面卻是空的,這種情況很詭異。」

 

  大花草科的植物清除不需要的基因聽起來似乎是為了讓自己基因體變得更小和更有效率,但矛盾的是寄生花的基因體其實很大:估計總共有3.2到3.5千兆鹼基(gigabases)的DNA,大約與人類差不多,那到底是什麼東西塞滿了它們的基因體?

 

大王花數千年來不斷在竊取基因,它們的基因體就像是一個「巨大的DNA墓地」。

 

  首先,裡面有偷來的基因。戴維斯的研究團隊估計,大花草科的植物至少有1.2%基因源自過去與現在的其他物種,通常都是從宿主身上偷來的。這聽起來可能沒什麼,但這種程度的基因轉移對細菌以外的生物來說相當罕見。因此,即使只有百分之一的基因以這種方式產生,科學家還是感到非常驚訝。

 

  由於這些寄生植物數千年來不斷在竊取基因,它們的基因體就像是一個「巨大的DNA墓地」。研究團隊仔細挖掘了這片墓地,並將10種潛在宿主的藤蔓基因體進行比對,科學家得以追溯大花草科的過去,蔡麗敏說:「這些水平轉移的基因彷彿是DNA化石。」

 

  科學家在這些DNA化石中發現了「可能可追溯至白堊紀中期滅絕的宿主」。如今,現存已知的大花草科大約有40種,它們都寄生在崖爬藤屬(Tetrastigma)的藤蔓上。但在崖爬藤屬以前,大花草科的成員似乎曾經寄生在胡椒屬植物上,當然也順便竊取了宿主的基因。這種生態歷史幾乎無法從石頭化石中發現,因為寄生植物的花並不會開很久,而且其細絲狀的形體不太可能變成化石。

 

  然而,這些被偷的基因只是寄生花龐大基因體中的一小部分。它的大部分是被稱為轉座子(也稱為「跳躍基因」)的DNA序列的複製所組成,薩克頓說:「大花草科的基因體中有90%是重複的。」

 

  由於基因體中的高度重複,戴維斯花了很長時間才為寄生花拼湊出一個基因體草圖。直到大約10年以前,基因體測序技術很容易被重複序列所阻礙,薩克頓說:「就像是在晴朗無雲的藍天拼拼圖,每一塊都是完全相同的形狀,根本沒辦法完成。」而利用目前的基因體測序技術能處理更長的DNA片段,但即便如此也只能拼湊估計約40%的寄生花基因體——因為其餘的部分依然重複性太高。

 

大王花的生長週期圖。

 

  聖路易斯唐納德丹福斯植物科學中心的植物生物學家薩馬・沙希德(Saima Shahid)研究了植物的轉座子功能,他指出大花草科擁有豐富的轉座子很驚人,數量大約為菟絲子的兩倍。在其他寄生植物的測序中,主導元素為「反轉錄轉座子」,它通過轉錄成RNA在基因體中移動。然而,大王花的主導元素卻是DNA轉座子,這些轉座子不斷重複複製並貼上自己到基因體之中,沙希德說:「這是非常耐人尋味且不尋常的現象。」

 

  為什麼寄生花一開始就有這麼多「跳躍基因」呢?至今科學家還沒有定論,但答案或許會改變人類對寄生植物基因體的理解。

 

  轉座子被認為是「自私的」基因;它們甚至不惜犧牲自己擁有的基因體來進行複製。因此,宿主的基因體通常會控制住它們,沙希德說:「大多數時候,他們的目標是讓基因默化。」因此,若不是大花草科的生長規則出現問題,就是寄生植物發現了讓這些元素跳躍的好處。

 

  科學家推測,大花草科的轉座子過剩可能是生長環境孤立導致的結果,由於大花草科只寄生在崖爬藤屬的藤蔓上,每一片藤蔓對它們來說都像是一個與世隔絕的孤島,在生長受限的小種群中,很少有來自外界的基因流動,因此,即使是有害的轉座子基因複製也可能隨著時間演進而積累,直到基因體結構變得過於龐大。

 

  還有一種可能性是寄生植物無法阻止自己的跳躍基因,其中某些源自宿主的元素可能差異太大,以至於大花草科植物的遺傳機制無法立即識別並抑制,薩克頓說:「這就像一個入侵的物種。」也有另一種可能性是,由於寄生植物到處竊取宿主的遺傳物質而演化出強大的適應能力,它們對無用DNA的額外負擔產生耐受性,所以沒有足夠的選擇壓力來清除這些跳躍基因。

 

  由於大花草科的數量稀少,莫利納正與華盛頓特區的植物園合作,培育寄生植物及其宿主崖爬藤屬的藤蔓。因為如果沒有更多資料,我們就永遠不會知道大花草科龐大的轉座子中多少還有功能性,又有多少只是讓基因體變得更加混亂。

 

 

圖片來源:Tamaar@flickrPaul K@flickrWikimedia

 

原文出處:Quanta

 

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