该研究揭示了大蛇花属植物尽管放弃了光合作用，且在某些物种中甚至舍弃了有性繁殖，却依然能够生存繁衍。其共同祖先的质体基因组急剧缩减，但质体仍保持重要功能。无性繁殖似乎经历了多次独立演化，帮助这些植物在孤立潮湿的森林生境中存续。这项研究突显了这些奇异寄生植物惊人的恢复力。
“我长期以来的目标是重新思考成为一株植物的真正含义，”神户大学植物学家末次健司说道。他继续说道，“多年来，我一直着迷于那些放弃光合作用的植物，并希望揭示这一过程中发生的变化。”蛇菰属物种代表了一个极端案例，因为它们不进行光合作用，而是从寄主植物的根部获取养分。它们一生中大部分时间都生活在地下，只有在开花季节才出现在土壤之上，且部分物种仅通过无性方式繁殖。“然而，尽管已有针对这些植物基因组变化、生态学及繁殖方式的独立研究，但我们尚不清楚它们之间如何相互关联，”末次解释道。
蛇菰属中的进化、质体与生态学关联
为填补这一空白，末次着手整合三个此前从未在蛇菰属中共同研究过的领域。他旨在厘清物种间的亲缘关系，探究其质体（植物细胞的一部分，在绿色植物中充当细胞的“太阳能电池板”）发生了怎样的改变，并确定其繁殖策略如何在生态背景中发挥作用。谈及工作的难度，他表示：“这些植物稀少、分布零散，且通常局限于陡峭潮湿的森林中。但多年在实验室和野外研究蛇菰的经验，以及与当地博物学家的长期合作，使这一项目成为可能。”为扩展项目，他与冲绳科学技术大学院大学专门研究高度简化基因组的专家展开了合作。
极端质体简化揭示共同祖先的转变
这项研究现已发表在《新植物学家》期刊上，报告称该属所有成员均拥有极度简化的质体基因组（DNA不保存在植物细胞核中，而直接存在于质体中）。研究团队得出结论，这种简化可能发生在共同祖先中，早于该谱系分化成多个物种之前。末次说：“看到植物能将质体基因组简化到如此程度令人兴奋，乍看之下质体似乎濒临消失。但更仔细地观察发现，许多蛋白质仍然被运输到质体中，表明即使植物放弃了光合作用，质体仍是植物代谢的重要组成部分。”
该区域内无性繁殖的多次演化
研究人员还确定，无性繁殖可能在该属内多次出现。他们的发现表明，这些植物可能很早就发展出了无需受精即可产生种子的能力，这有助于它们拓殖从日本本土经冲绳延伸至台湾的岛屿链。“过去十年中，我研究了蛇菰属的传粉和种子传播，驼螽和蟑螂在其中扮演了意想不到的角色，但我也注意到，当配偶或传粉者稀缺时，无性种子生产常能确保繁殖，”末次解释道。在某些物种中，这种繁殖方式可能已成为产生后代的主要模式。
理解寄生性非光合植物如何持续存在
对末次而言，这项工作代表着向理解不再进行光合作用的植物如何在自然环境中继续运作和生存迈出了重要一步。末次说：“对于一个花费无数小时在黑暗潮湿的森林中观察这些植物的人来说，看到它们的故事在基因组层面展开深感满足。我的下一个目标是将这些结果与生化测量相结合，弄清蛇菰属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。”
本研究得到日本学术振兴会（项目编号23K14256）、人类前沿科学计划（项目编号RGEC29/2024）、日本科学技术振兴机构（项目编号JPMJPR21D6、JPMJFR2339）以及台湾国家科学技术委员会（项目编号109-2311-B-845-001）的资助。与冲绳科学技术大学院大学及台北市立大学的研究人员合作完成。