槲寄生遗失基因之谜

杂乱无章的人几乎已经关闭了他们牢房的动力。科学家们仍在尝试了解植物的非常规生存策略。

可以追溯到几个世纪的假期季节传统将冬季浪漫与槲寄生装饰枝联系在一起。该植物的圆形常绿叶子和白色浆果紧紧地拥抱生长的树木的树枝的方式可能激发了这种联想。关于植物亲密关系的真相并非浪漫：槲寄生是一种寄生虫。它的叶子通过光合作用产生糖，但是它的结构不是根部，而是刺穿宿主树的重要组织以吸收营养和水。

但是这种相互依赖性更加深远，因此科学家刚刚开始意识到在分子水平上槲寄生是独特的方法。所有多细胞生物的细胞都依靠称为线粒体的细胞器来制造生化燃料，也就是说，除了槲寄生外，所有多细胞生物都可以。他们的线粒体不仅产生很少的这种燃料，而且失去了制造它所需的许多基因。自植物学家发现这种异常以来的几年中，全世界的科学家仅凭有限的成功就试图弄清槲寄生是如何实现这一目标的。

槲寄生是真正特殊的第一个暗示是在2015年波兰弗罗茨瓦夫举行的国际植物线粒体生物学会议上提出的，当时的伊丽莎白·斯基宾顿当时是印第安纳大学杰弗里·帕尔默实验室的博士后研究员。她后来在美国国家科学院院刊上发表的证据震惊了科学界的小众听众，其中一种槲寄生物种（Viscum scurruloideum）的线粒体基因组非常小，并且缺少呼吸所需的关键蛋白质-这种化学途径使线粒体能够呼吸制造细胞分子燃料三磷酸腺苷（ATP）。

参加演讲的德国莱布尼兹大学植物生物化学家詹妮弗·森克勒说：``感觉每个人都屏住了呼吸。'' “在下一个休息时间，每个人都对此感到兴奋，并在猜测如何工作。”

他们想知道斯基平顿是否可能因为无法识别而错过了这些基因，或者她的方法是否存在错误。也许基因已经转移到核基因组中，毕竟线粒体基因可能会发生这种情况，而槲寄生的巨大基因组（大约是我们的24倍）迄今已阻碍了全基因组测序。每个人都渴望解决缺失基因的奥秘。

森克勒在给广达的电子邮件中写道：``我们开始开玩笑说研究人员从树木上掉下来，试图让他们接触槲寄生植物。''确实，她和她的同事们回到德国后，“我们购买了一把长枝剪，开始收集槲寄生。”

他们不是唯一的。生物化学家埃蒂安·迈耶（Etienne Meyer）距离位于波茨坦-格尔姆的马克斯·普朗克分子植物生理研究所的汉诺威森克勒实验室不远，他开始进行自己的一些研究。在英格兰诺威奇（Norwich）的约翰·英因斯中心（John Innes Center），詹内克·巴尔（Janneke Balk）同样决定深入研究槲寄生线粒体。 Balk的团队很快就与Meyer接触，两个实验室联手，尽管他们在很大程度上保持并行进行实验以确保结果重复。梅耶说：“这就是使故事更加扎实的原因。”

最后，所有三个研究小组得出了相同的结论：槲寄生线粒体与所有其他植物，真菌和动物的线粒体的ATP生成过程不同。斯基平顿所说的基因确实消失了，没有突变或重新定位。到目前为止，还没有人知道没有它们的槲寄生如何生存。

迄今为止，在所有其他研究的多细胞生活中（就大多数情况而言，在单细胞真核生物中），线粒体通过五步过程产生ATP。每个步骤都由单独的蛋白质复合物I-V进行。瑞典斯德哥尔摩大学的植物学家吉特·彼得森（Gitte Petersen）说：``其中的一个是第一个复合体，在槲寄生中完全不见了。''

彼特森（Petersen）受过植物系统专家的培训，最初认为，这种复杂性的流失可能很常见。但是当她和她的同事们检查了另外九个寄生植物群时，其余的都是正常的。似乎只有槲寄生发生了一些特别的事情。

莱比尼兹大学（Leibniz University）的詹妮弗·森克勒（Jennifer Senkler）说：“在下一个休息时间，每个人都为此而兴奋地聊天，并猜测这是如何工作的。”

关于槲寄生如何补偿这些极为重要的基因的损失，“我们只能推测”，迈耶说。

实验表明，槲寄生可以产生一些ATP。只是不清楚他们的线粒体是否在其中发挥了很大作用。迈耶（Meyer）和巴尔克（Balk）的合作发现，这种植物确实生产出更多的蛋白质用于糖酵解，这是一种将糖分解成所有细胞中有效的ATP的低效方法。但是，科学家们无法确切确定植物以这种方式产生多少ATP。

尽管如此，提高糖酵解能力足以与线粒体通常的ATP产量相抗衡，将需要更多的糖分。迈耶的直觉是，槲寄生虫从宿主身上偷走糖，水和矿物质。他们甚至可能比其他植物更光合作用进行光合作用，以制造出更多的糖来燃烧，尽管迈耶（Meyer）认为这种想法“极度假设”。

脚趾甲也可能会消耗能量，像Scrooge一样的痛苦。 Senkler和Petersen均指出，寄生的生活方式和缓慢的生长可能使槲寄生靠低含量的ATP维持。实际上，“槲寄生可能会教给我们关于如何在能量有限的条件下生存的教训”，森克勒说。

然而，槲寄生因缺乏线粒体而幸免于难，一个大的未解决的问题是，为什么这些植物没有使用如此看似有用的东西。

莱比尼兹大学（Leibniz University）的詹妮弗·森克勒（Jennifer Senkler）说：“槲寄生可能会教给我们关于如何在能量有限的条件下生存的教训。”

森克勒（Senkler）的怀疑是，我太繁琐，无法保持。它由大约50种蛋白质组成，这些蛋白质必须在细胞的不同子隔间中制造，组装并装配到线粒体的内膜中。她说，即使从长远来看这意味着更多的能源，所有这些能源的成本都是可观的，而且“小问题似乎避免了需要大量能源的过程”。

迈耶指出，抛弃高耗能的性状或“还原性进化”是寄生虫的普遍主题。失去这套特殊的蛋白质可能会带来其他好处。由于复合体I喷出的高反应性分子会引起细胞损伤，因此失去它可能会使植物对压力的抵抗力更强。在癌细胞中经常会看到类似的线粒体基因缺失，这部分地解释了为什么恶性细胞通常可以存活，而其他细胞则不会。

但是彼得森并不认为损失是有益的。她说，可能是像灾难性突变之类的东西在槲寄生的进化过程中消失了，这偶然地抹去了他们制造复杂I的能力。“然后，槲寄生就设法应付了所发生的事情，”她说，也许是因为槲寄生的寄生虫生活方式提供了补偿方法。她很好奇，是否需要进行额外的基因测序，以使研究人员能够避免损失发生的时间以及这些植物是否已经寄生。

如果事实证明这些植物的失落是我的偶然运气，那么也许槲寄生就像我们其他人一样：他们正在尽一切努力度过假期。 铅像：在假期期间，槲寄生小枝到处都是传统装饰。 科学家最近发现了槲寄生的新奇古怪，使它们与所有其他多细胞生命区分开。 图片来源：奈杰尔·卡特林/科学资源