植物如何在没有阳光和性繁殖的情况下生存？

“我长期的目标是重新思考‘植物’的真正含义，”神户大学植物学家末次健司表示。他接着说：“多年来，我一直对放弃光合作用的植物很感兴趣，想弄清楚这个过程中发生的变化。”蛇菰属植物就是一个极端案例，它们不进行光合作用，而是从寄主植物的根部获取养分。它们一生大部分时间都待在地下，只在开花季节才出现在土壤表面，有些种类还仅通过无性方式繁殖。“然而，尽管已有关于这些植物基因组变化、生态学和繁殖方式的个别研究，但我们并不清楚它们之间的关联，”末次健司解释道。

### 将蛇菰的演化、质体与生态学联系起来

为填补这一空白，末次健司着手整合三个此前从未针对蛇菰共同研究的领域。他旨在厘清物种间的关系，探究其质体（绿色植物细胞中充当‘太阳能板’的结构）发生了怎样的改变，并确定它们的繁殖策略如何与其生态环境相适应。谈及研究的困难，他说：“这些植物很稀有，分布零散，且常局限于陡峭、潮湿的森林中。但多年来在实验室和野外对蛇菰的研究经验，以及与当地博物学家的长期合作，让这个项目得以开展。”为拓展研究，他还与冲绳科学技术研究所专门研究高度缩减基因组的专家展开合作。

### 质体极度缩减暗示共同祖先的转变

这项发表在《新植物学家》期刊上的研究指出，该类群所有成员的质体基因组（不存于植物细胞核、直接存在于质体中的DNA）都大幅缩减。研究团队推断，这种缩减可能发生在一个共同祖先身上，之后该支系才分化为多个物种。末次健司说：“看到植物的质体基因组能缩减到这种程度，起初看起来质体仿佛快要消失了，这很令人兴奋。但仔细研究后发现，仍有许多蛋白质被运输到质体中，这表明即使植物放弃了光合作用，质体仍是其新陈代谢中至关重要的部分。”

### 无性繁殖在该区域的多次演化

研究人员还发现，无性繁殖可能在该类群中独立出现过多次。研究结果显示，这些植物可能很早就具备了无需受精就能产生种子的能力，这有助于它们在从日本本土经冲绳到台湾的岛链上定居。“过去十年，我研究了蛇菰的传粉和种子传播，发现灶马和蟑螂在其中发挥了意想不到的作用，但我也注意到，当配偶或传粉者稀缺时，无性种子繁殖往往能确保繁殖成功，”末次健司解释道。在某些种类中，这种繁殖方式可能已成为产生后代的主要方式。

### 理解寄生性非光合植物的存续之道

对末次健司而言，这项工作是理解不再进行光合作用的植物如何在自然环境中正常运转和生存的重要一步。他说：“对于一个在阴暗潮湿的森林里花了很多时间观察这些植物的人来说，从基因组层面揭开它们的故事，这让我深感满足。我的下一个目标是将这些结果与生化检测相结合，弄清楚蛇菰的质体究竟产生了什么，以及这些产物如何帮助寄生植物在寄主根部维持生长。”

本研究由日本学术振兴会（ grant 23K14256）、人类前沿科学计划（ grant RGEC29/2024）、日本科学技术振兴机构（ grants JPMJPR21D6、JPMJFR2339）和中国台湾地区科学技术部（ grant 109-2311-B-845-001）资助，与冲绳科学技术研究所和台北大学的研究人员合作完成。