薇甘菊：“疯狂”的植物杀手

农业科学院基因组研究所万团队

农业科学院薇甘菊基因组

薇甘菊危害农业科学院“位点”基因组图谱

美丽的背后隐藏着危险，甚至在植物世界也是如此。

薇甘菊名称甜美，外观清新。然而，它是一个被外国人入侵的“疯狂”植物杀手。它用“死亡缠绕”作为它的杀手。它可以爬进“地毯”或沿着藤蔓形成覆盖物，对其他植物和生态造成伤害。

认识薇甘菊的入侵途径和生长机制，开发抑制薇甘菊繁殖和蔓延的技术，已成为受影响地区的主要需求和主要问题。

最近，中国农业科学院深圳农业基因组研究所的万、钱、等研究员与其合作伙伴共同构建了一个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环境适应性进化和快速生长的分子机制，为薇甘菊分子干预防控新技术的研究提供了新的思路和方法。相关研究成果发表在1月17日的《自然通讯》上。

《美丽的黑仔》

薇甘菊原产于南美洲和中美洲，在亚洲、南太平洋和其他地区的70多个国家和地区广泛分布。它已经成为世界热带和亚热带地区最有害的外来入侵杂草之一。

该论文的通讯作者之一万告诉《中国科学新闻》，薇甘菊是一种具有很强繁殖能力的藤本植物，可以有性繁殖也可以无性繁殖。增长能力极强。每个分段每年生长1000米左右，每个分段将产生许多分段，在国外也被称为“每分钟一英里的杂草”。

“它们擅长缠绕和依附其他植物，覆盖它们，阻止其他植物进行光合作用，从而导致它们死亡。此外，薇甘菊也会释放化学物质，影响土壤环境，从而抑制其他植物的种子发芽。”万对说道。因此，薇甘菊被称为“生物多样性的终极杀手”，导致入侵地区生物多样性减少，从而破坏生态系统。

薇甘菊是中国最早的入侵物种之一。万说，他在上世纪初第一次进入香港，80年代入侵深圳的内伶仃岛，90年代在珠江三角洲发现大规模破坏。随后，薇甘菊肆意蔓延，入侵广东、广西、云南、海南等地，造成大规模破坏，给当地农林生产、生态环境和生物多样性造成巨大的经济损失和严重的生物安全威胁。

据粗略估计，仅珠江三角洲地区每年就因薇甘菊蔓延而遭受约5亿元的生态和经济损失。在整个分销领域，直接和间接的经济损失估计高达数十亿美元。

论文第一作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所副研究员刘波表示，目前尚无遗传证据证明薇甘菊的入侵、传播和扩散，相关防控研究相对薄弱。

“我们希望通过基因组分析技术来分析薇甘菊‘每分钟一英里’快速生长的分子机制，为入侵机制、生物学特性的研究以及分子靶向防控技术(核糖核酸干扰或基因编辑)的研发提供基础和理论依据。”刘波说。

“日夜尽全力”

本研究从染色体水平构建了高质量的薇甘菊参考基因组，并利用比较基因组学、代谢组学、转录组学和土壤宏基因组学从多个方面揭示了薇甘菊环境适应性进化和快速生长的分子机制。

研究发现薇甘菊具有很强的光合能力。

“薇甘菊是一种非常‘勤奋’的植物，在其他植物休息时吸收二氧化碳。通信作者之一、华南师范大学教授彭长莲用“白天工作，晚上加班”的方式描述了薇甘菊快速生长的重要光合作用机制。

薇甘菊属于C3植物。通过基因组测序分析，研究人员发现在正常环境(非干旱、高温、沙漠和戈壁等恶劣环境条件下)生长的薇甘菊可能具有另一种光合作用碳同化途径——定居酸代谢途径(CAM途径)。CAM途径通常是生长在热带、亚热带干旱和半干旱地区的一些肉质植物所具有的光合代谢途径。它的叶片气孔在白天关闭，在晚上打开，这是适应极端环境的光合代谢途径。

走这条路线的植物通常光合速率较低，生长缓慢，但它们能在恶劣的环境条件下生存和生长，如仙人掌、菠萝等彭长莲说。

研究人员利用转录组、有机酸日变化、酶活性和叶片气孔电镜结果分析发现，薇甘菊叶片的气孔在白天和晚上都是开放的，夜间CAM通路中CO2固定的光合酶PEPC和NADP-ME的活性明显高于白天，积累了大量的有机酸-苹果酸。这可能是薇甘菊的净光合速率明显高于其他C3植物，甚至接近C4植物的一个重要原因。

“也就是说，薇甘菊利用不同的光合途径在白天和晚上固定二氧化碳，为其快速生长提供充足的碳水化合物。”彭长莲表示，如果薇甘菊的这种光合作用特性能够在未来的作物上通过进一步的研究得到实现，如果薇甘菊在夜间“加班”，将有助于提高其产量，这为作物光合途径的转化和作物产量的提高提供了新的思路和研究方向。

此外，薇甘菊的茎和叶子一样，也有很强的光合能力。

彭昌莲告诉记者:“通常，叶子是植物光合作用的营养器官。我们经常看到，当叶子凋零时，植物基本上死亡，但薇甘菊却没有。”

研究人员用薇甘菊和6种伴生植物进行了一组剪叶控制实验，即人工剪去所有植物的所有叶子。结果表明，薇甘菊30天后仍能正常生长，90%以上的对照植物死亡。

薇甘菊的转录组分析表明插条后卡尔文循环中关键基因的表达显著上调。

这一结果表明薇甘菊茎具有较强的光合补偿能力，为其在新生环境中的入侵、定殖和快速生长提供了支持。

土壤植物“污染”的“克星”

薇甘菊还有一种“生物武器”——化感作用。它通过从根部分泌一些有机化合物来影响土壤，并起到抑制植物种子萌发和生长的作用，从而迅速形成单一优势种群并破坏入侵土地的生物多样性。

本文作者之一、华南农业大学教授简言介绍，在前人工作的基础上，本研究分离提取了紫茎泽兰特有的5种化感物质，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途径奠定了基础。

那么，薇甘菊的“生物武器”是如何发挥其威力的呢？

研究人员利用土壤理化性质、16S rRNA和根际土壤宏基因组系统分析了薇甘菊内质对土壤的氮循环效应，并初步分析了这五种化感物质促进土壤养分循环的机制。

结果表明，薇甘菊的5种化感物质促进了土壤氮、磷、钾等养分的矿化，即土壤总氮含量显著低于对照组，但有效氮含量显著高于对照组。与对照组相比，薇甘菊根际土壤明显富集了与微生物固氮相关的关键酶，同时降低了反硝化细菌的丰度。

“在反硝化过程中，反硝化细菌在各种酶的作用下将硝酸盐转化为氮气和一氧化二氮。当固氮菌增多而反硝化细菌减少时，大气中更多的氮可以储存在土壤中，这样植物就可以获得更多的氮源来促进植物的生长。”魏凡解释道。

通过在空白土壤中添加5种薇甘菊内质的试验，进一步证明在添加薇甘菊内质的土壤中，有效氮含量、土壤呼吸、固氮菌和氨化菌的数量显著增加。

上述结果表明，薇甘菊可能通过落叶和落花在土壤中释放大量化感物质，并通过化感物质加速根际土壤中的养分循环，为其快速生长提供充足的养分，为生物肥料的进一步研究提供了新的研究思路。

“本研究结合高通量测序、多基因组学、生理生化、分子生物学等技术，从植物自身进化和植物代谢产物对根际土壤微环境的协同进化方面，初步揭示了薇甘菊环境适应性和快速生长的分子机制，为进一步研究优良性状的遗传机制和开发生物靶向分子干预防治技术奠定了坚实的理论基础。”刘波说。

预防和控制危害刻不容缓

在《薇甘菊——外来物种入侵中国》的报告中提到:“一些专家通过数学公式计算出，一粒薇甘菊种子可以在五年内繁殖数万亿株植物...不仅足以覆盖整个地球表面，还能覆盖太阳系的所有行星。”

至于薇甘菊，人们并不完全了解。

“我们发现薇甘菊具有较高的光合能力，但找出其具体的分子机制是需要进一步研究的内容。此外，薇甘菊主要化感物质合成途径中涉及的关键基因或酶的功能尚未得到验证，这些化合物促进土壤养分循环的分子机制以及薇甘菊与土壤的相互作用机制也有待进一步研究和挖掘。”钱对说:

防治薇甘菊已成为一项全球性行动。

刘波介绍说，目前世界上对薇甘菊的防治主要分为人工清除、化学农药防治和生物防治。手动移除既费时又费力。化学农药对生态系统、土壤养分、畜禽及人类健康有严重危害。生物防治目前采用天敌昆虫控制和真菌控制。

“我们现在正在探索生物控制方法。一种真菌从国外引进。国外大量实验证实，这种真菌对薇甘菊具有高度特异性，不会对其他生物造成伤害。在南太平洋和其他地方发行后，效果相当显著。在我们的介绍之后，许多当地的工厂被添加进来进行测试。目前，实验室实验已经成功，只对薇甘菊有害，其他植物没有被感染。在所有条件成熟后，将有可能逐步释放它们。”万对说道。

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