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变成“僵尸”的它不会变老,但永远失去了生殖能力

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植物大战僵尸 | Pop Cap

植物不一定能打僵尸,不过可以被寄生物变成“僵尸”,长成寄生物需要的样子。为了保护植物,一群科学家开始寻找它们变成“僵尸”的原因,并试图阻止寄生物的行动……

撰文|栗子

审校|二七

你或许听说过,有些寄生物能把宿主变成“僵尸”,任凭摆布。比如,一种名叫偏侧蛇虫草菌(Ophiocordyceps unilateralis)的真菌,可以寄生在蚂蚁体内。被感染的蚂蚁,会走出原本生活的蚁穴,爬上附近的植物,咬住一片叶子的叶脉。从此,蚂蚁便留在了那里,而它所在的高度,刚好有适合真菌生长的温度和湿度。

如果说,失去自我的“僵尸”动物,余生只能做寄生物的奴隶,那失去自我的“僵尸”植物也很难有更好的结局吧?可最近发表在《细胞》(Cell)杂志的一项研究告诉我们,有种“僵尸”植物获得了“长生不老”的能力。

是什么让它活得更久?

有一类寄生在植物体内的细菌,叫做“植原体”(phytoplasm)。我们熟悉的不少作物都会因为植原体而生病,比如洋葱、芹菜、胡萝卜等等。这是因为,植物被植原体入侵后,原本的生长发育节奏会遭到篡改,一种常见的症状便是枝叶生得异常浓密,从一个点长出许多枝条,好像“女巫的扫帚”一样。


松树长成了“女巫的扫帚” | David Martinson

这样的现象也被称为“丛枝病”,会严重影响作物的产量。英国约翰·英尼斯中心(John Innes Center)的科学家很想知道,植原体到底对植物做了什么,才让它们如僵尸暴走般疯长枝叶。

很多时候,寄生物是靠自身分泌的物质来操控宿主。于是,科学家开始调查植原体分泌的物质,具体来说是“翠菊黄化丛枝植原体”(AY-WB)菌株分泌的蛋白质。先前,其他研究团队曾给这个菌株做过DNA测序,并找到了56种分泌蛋白,把植物变成“僵尸”的凶手可能就在里面。这次,科学家的研究对象便是其中一种蛋白,名为SAP05。

研究者用这种蛋白去“感染”了一种名为拟南芥(Arabidopsis thaliana)的植物,观察它会不会长成“女巫的扫帚”,或是出现其他异常。他们“感染”植物的手段非常独特,是让植物自己生产:把SAP05的基因插入植物的染色体里,它就能制造SAP05了。


培养10周后,右为被SAP05支配的拟南芥,左为对照 | 原论文

结果发现,拥有SAP05蛋白的植物不需要细菌寄生,就能篡改自己的生长发育节奏,成长为“女巫的扫帚”(如上图右)。除此之外,在其他同类慢慢成熟、慢慢衰老的时候,基因改造过的植物还在不断长出更多的幼态叶。与同伴相比,它大概称得上“永葆青春”了。而维持在幼年形态的植物虽然活得更久,却不能像同伴一样进行生殖活动,这或许就是不变老的代价吧。

科学家表示,基因编辑过的拟南芥,和真正被植原体寄生的拟南芥,形态十分接近。因此他们相信,植原体寄生植物时,就是靠SAP05这种蛋白把它们变成“僵尸”的。

那么对植原体来说,如此操控植物有什么好处?作为细菌,植原体的传播需要媒介:通常是昆虫吸食植物汁液时,顺便把植原体送进植物体内。若植物寿命变长,能接纳更多的昆虫前来用餐,植原体也可乘着“交通工具”,前往更多的植物体内寄生,实现更广泛的传播。


培养15周后,在SAP05支配下生长的“扫帚”更浓密了 | 原论文

看来,篡改植物生长发育节奏的确对植原体有利。不过,它分泌的SAP05蛋白究竟是怎么做到这一点的?

蛋白质“垃圾分类”

一种蛋白质要发挥作用,总得与其他分子结合。而被SAP05蛋白结合的物质,很可能和植物的生长发育密切相关。

科学家发现,植物体内的两种物质——SPL转录因子和GATA转录因子,都是SAP05“绑架”的对象,也都是植物生长发育中不可缺少的角色。其中,SPL转录因子帮助植物从幼年期转向成年期,从营养期转向生殖期;而GATA转录因子主要负责调节光合作用、叶片发育和花器官发育。


SAP05阻碍植物发育成熟 | 原论文

这两种物质一旦被SAP05蛋白“抓住”就危险了。SAP05主要的工作地点在植物韧皮部的筛管细胞:那是负责向生长中的植物组织输送营养的细胞,里面还有一套回收系统,在清理无用的垃圾蛋白。SPL转录因子和GATA转录因子,原本不是垃圾蛋白。但被SAP05结合后,系统会将它们识别为垃圾蛋白并降解掉。也就是说,SAP05是借助植物自身的机制,除掉了对植物有用的物质。


被SAP05抓住的两类蛋白,遭到了蛋白酶体的降解 | 原论文

从此,植物的生长发育开始紊乱:保持着幼年的特征却按时开花,开出的花又无生殖能力,最终长成“女巫的扫帚”。这是两类转录因子同时被破坏的结果。假如只破坏SPL转录因子,或者只破坏GATA转录因子,植物都不会彻底患上“丛枝病”。

同时,研究者还发现,垃圾回收系统清理了不该清理的两类蛋白,不仅仅是因为这两类蛋白被“绑架”,而是连负责清理工作的蛋白酶体也被“绑架”,才执行了错误的任务。

昆虫会变“僵尸”吗?

身为垃圾回收工具的蛋白酶体之所以遭到“绑架”,是因为它有个亚基被SAP05蛋白结合了。研究团队因此想到,传播植原体的昆虫叶蝉体内也有这个亚基的同源物。那昆虫会不会也被细菌分泌出的SAP05蛋白变成“僵尸”?

但实验结果显示,SAP05并没有结合昆虫的蛋白酶体。虽然有同源物,但两个氨基酸的微小差别(如下图),保护了昆虫的蛋白酶体。


亚基RPN10的氨基酸序列中的38号和39号,植物体内为GA,昆虫体内为HS | 原论文

发现这个差别之后,科学家又有了新的想法:用基因编辑把植物的这两个氨基酸改成和昆虫一样,植物不也能抵抗SAP05的伤害了吗?实验证明他们想的没错,经过基因编辑后,那些被垃圾回收系统错误处理的蛋白,又重新获得了生存空间,被降解掉的比先前少了。

虽然“氨基酸修改版”的植物在被植原体寄生后,明显比野生型的同伴更短命,且依然不能生育,团队还是从中看到了阻止植物变“僵尸”的希望。

不论如何,科学家们终究是站在保障作物产量的角度考虑问题。至于植物是想变成“僵尸”活得更久还是想要生育能力,谁知道呢?

参考文献

[1]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)01012-6

[2]https://www.pnas.org/content/114/47/12590.full

[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/928467

[4]https://www.nytimes.com/2021/10/01/science/zombie-plants-parasites.html

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