一分钟祸害一英里的植物杀手

薇甘菊“为害现场”  。中国农科院深圳农业基因组研究所供图

植物界有不少“美丽杀手”，美丽背后，暗藏“杀”机，薇甘菊就是其中之一。

近日，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合作者共同构建了染色体水平的高质量薇甘菊参考基因组，从多个角度揭示了薇甘菊在全球入侵过程中的环境适应性进化和快速生长的分子机制，为薇甘菊的靶向分子干预防控新技术研究提供了新思路与新方法。相关研究成果1月17日发表于《自然—通讯》。

“一分钟一英里杂草”

薇甘菊原产于南美洲和中美洲，现已广泛分布于70多个国家和地区，成为当今世界热带、亚热带地区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告诉《中国科学报》，薇甘菊繁殖能力强，既可有性繁殖，又能无性繁殖，生长能力极其旺盛，又称“一分钟一英里杂草”。

“薇甘菊善于缠绕和攀附于其他植物上将它们覆盖，阻止其他植物进行光合作用，从而使其死亡。此外，薇甘菊还会释放化学物质影响土壤环境，从而抑制其他植物种子的萌发。”万方浩说。因此，薇甘菊被冠以“生物多样性终极杀手”之名，它导致入侵地区的生物多样性降低，从而破坏生态系统。

薇甘菊是我国首批外来入侵物种之一。万方浩表示，薇甘菊入侵我国深圳、珠三角地区后，肆意扩张蔓延至广东、广西、云南、海南等地并大规模为害，对当地农林业生产、生态环境与生物多样性造成巨大的经济损失与严重的生物安全威胁。

粗略估计，仅珠三角地区每年因为薇甘菊的泛滥造成的生态经济损失就约达5亿元；在整个分布区，导致直接与间接的经济损失估计高达数十亿元。

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表示，目前关于薇甘菊入侵、传播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薄弱。“我们希望通过基因组学分析技术，解析薇甘菊快速生长‘一分钟一英里’的分子机制，为研究入侵生物的入侵机制、研发生物学特性及分子靶向防控技术（RNA干扰或基因编辑）提供基础和理论依据。”刘博说。

不分昼夜 全身发力

该研究构建了染色体水平的高质量薇甘菊参考基因组，从多方面揭示了薇甘菊环境适应性进化与快速生长的分子机制。

研究发现，薇甘菊有着较强的光合能力。“薇甘菊是一种很‘勤奋’的植物，它在别的植物休息时间‘加班加点’吸收CO2。”论文通讯作者之一、华南师范大学教授彭长连用“白天干活，晚上也加班”来描述薇甘菊快速生长的光合作用重要机制。

薇甘菊属C3植物，通过全基因组测序分析，研究人员发现，在正常环境下（非干旱高温、荒漠戈壁等较恶劣环境条件）生长的薇甘菊可能存在另外一种光合作用碳同化途径——景天酸代谢途径（CAM途径）。“拥有该途径的植物一般光合速率降低、生长缓慢，但能在恶劣的环境条件下生存和生长，比如仙人掌、菠萝等就属于此类植物。”彭长连说。

研究人员分析发现，由于景天酸代谢途径，薇甘菊叶片的气孔无论是白天还是黑夜均开放。这可能是薇甘菊净光合速率显著高于其它C3植物，甚至接近C4植物的重要原因。

“在白天和夜晚，薇甘菊利用不同的光合途径进行CO2的固定，为其快速生长提供了充足的碳水化合物。”彭长连说，薇甘菊的这一特点为农作物光合途径的改造、提升作物产量提供了新的思路和研究方向。

除此之外，薇甘菊的茎秆和叶片均具有较强的光合作用能力。

彭长连告诉记者，“通常，叶片是植物光合作用的营养器官，当植物叶子枯萎凋落时，这个植物基本就死亡了，但薇甘菊不是。”

研究人员做了一组薇甘菊和6种伴生植物的剪叶对照实验，即人为剪掉所有植株的所有叶片。结果发现，30天后薇甘菊仍能够正常生长，而对照植物中90%以上的植株死亡。随后的转录组分析表明，薇甘菊剪叶后卡尔文循环中的关键基因的表达量均表现为显著上调。

这一结果表明，薇甘菊的茎具有较强的光合补偿能力，为其在新生环境的入侵、定植以及快速生长提供了支撑。

“污染”土壤 植株“克星”

薇甘菊还有一件“生物武器”——化感作用。它通过根分泌一些有机化合物影响土壤，起到抑制植物种子萌发和生长的作用，从而快速形成单优种群，破坏入侵地的生物多样性。

论文通讯作者之一、华南农业大学教授颜健介绍，该研究在前人工作基础上，分离提取了5种贾泽兰属特异的化感物质单体化合物，并利用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定了基础。

薇甘菊的“生物武器”如何发挥威力？

研究人员系统分析了薇甘菊5种化感物质促进土壤养分循环的作用机制。结果表明，这5种化感物质对氮、磷、钾等土壤养分的矿化有着促进作用。与对照组相比，薇甘菊根际土壤明显富集了与微生物氮固定相关的关键酶，同时减少了反硝化细菌的丰度。

“在反硝化作用过程中，反硝化细菌在多种酶的作用下将硝酸盐转换为氮气和一氧化二氮。当固氮菌增多、反硝化细菌减少时，可将大气中的氮更多地保存在土壤中，这样植物就可以获得更多的氮源，利于自身生长。”樊伟解释说。

进一步实验证明，在添加薇甘菊内质的土壤中，有效氮含量、土壤呼吸作用、固氮菌和氨化细菌数目等均显著提高。

上述结果表明，薇甘菊可能通过叶片和花的掉落，在土壤中释放出大量化感物质，并通过化感物质加速根际土壤养分循环，为其快速生长提供充足养分。这为进一步研究生物化肥提供了新思路。

“我们发现了薇甘菊具有较高的光合能力，弄清其具体的分子机制是接下来需要研究的内容。另外，薇甘菊主效化感物质的合成通路中所涉及的关键基因或酶的功能没有被验证，化合物对促进土壤养分循环的分子机制以及薇甘菊与土壤的互作机制都有待进一步研究挖掘。”钱万强表示。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13926-4