高粱中首次發現兩大關鍵基因
來自中國科學院遺傳與發育生物學研究所(遺傳發育所)的消息說，該所科研團隊聯手合作伙伴，最新在“作物抗寄生植物研究”方面取得具有里程碑意義的重大突破——從高粱中首次發現兩大關鍵基因，通過基因編輯修飾具有廣泛的重要作物抗寄生應用前景。
本項研究成果示意圖。中國科學院遺傳發育所 供圖
這一將助力全球抵御寄生植物威脅、為保障世界糧食安全提供“中國方案”的重要研究，由中國科學院遺傳發育所謝旗研究員、中國農業大學于菲菲教授和中國科學院遺傳發育所研究員、崖州灣國家實驗室主任李家洋院士領銜科研團隊與合作者共同完成，相關成果論文北京時間2月13日凌晨在國際學術期刊《細胞》(Cell)上線發表。
研究團隊介紹說，寄生植物通過特殊的結構(如吸器)侵入寄主植物的組織，從中吸取所需的營養物質，影響作物正常生長。因此，寄生植物對農業生產和生態系統有重要影響，尤其是獨腳金屬和列當屬寄生植物對農作物造成嚴重危害。獨腳金屬主要寄生高粱、玉米、谷子等單子葉作物，嚴重制約非洲、亞洲和部分熱帶地區糧食生產。
本項研究中，研究團隊通過原創性解析缺磷條件下獨腳金易萌發寄生的生理過程，發現缺磷促進高粱獨腳金內酯(Strigolactones，SLs)外排的現象，基于原創的基因挖掘技術結合大數據分析及基因編輯技術和相關分子及細胞生物學技術，首次鑒定出高粱中兩個關鍵的獨腳金內酯外排轉運蛋白，并將這兩個基因命名為SbSLT1(Sorghum biocolor SL transporter1)和SbSLT2(Sorghum biocolor SL transporter2)。
研究發現，這兩個基因在高粱誘導獨腳金的種子萌發和生長中起到重要作用，敲除這兩個基因后，獨腳金種子的萌發顯著降低，高粱的抗寄生能力顯著提高。在獨腳金高發地區進行的田間小區試驗結果表明，敲除SbSLT1和SbSLT2基因的高粱品種對獨腳金的抗性顯著增強，寄生率降低67%-94%，同時高粱的產量損失減少49%-52%。
重要作物抗寄生應用前景廣闊
進一步通過人工智能(AI)模擬預測SbSLT1和SbSLT2上形成SL轉運通道的關鍵氨基酸苯丙氨酸位點，研究團隊發現該位點在所有重要作物的SbSLT1和SbSLT2同源蛋白中都存在，且玉米同源基因的SL外排功能已被證實，從而證明SL轉運機制可能存在保守性，這為重要作物抗寄生提供了具有廣泛應用前景的解決方案。
研究團隊表示，未來將進一步驗證相關基因在其他重要作物中的作用，并推動抗獨腳金寄生作物的商業化應用。
獨腳金寄生過程極隱蔽難防治
研究團隊介紹說，獨腳金拉丁名意為女巫，因此又被稱為女巫草，暗喻其邪惡吸血的本質，在中國廣東、廣西、貴州、云南和海南地區亦有分布。據報道，獨腳金與小麥稈銹病、馬鈴薯晚疫病、香蕉葉斑病、大豆銹病、稻瘟病以及木薯棕色條紋病毒并列為世界七大農作物危害之一。
此外，列當屬寄生植物主要影響番茄、馬鈴薯等蔬菜作物以及向日葵等油料作物，在中國內蒙古等地區，列當對向日葵和番茄的寄生危害尤為嚴重，常導致減產絕收；菟絲子屬也是一種常見的寄生植物，其主要宿主為大豆、番茄、辣椒以及苜蓿等，菟絲子可以成片生長對宿主造成嚴重危害。
這些寄生植物每年在全球造成經濟損失高達100億-120億美元。
不過，寄生植物既是“魔鬼”，也有“天使”的另一面，如獨腳金、菟絲子、肉蓯蓉和鎖陽是一類在傳統中醫藥中廣泛使用的藥材，被收錄于《本草綱目》等經典中醫藥文獻中，用于治療小兒疳積、消化不良腎陽虛衰、不孕不育和腸燥便秘等病癥。
研究團隊指出，獨腳金的寄生過程極為隱蔽且難以防治，其種子在土壤中可以休眠超過20年，一旦感知到寄主植物釋放的獨腳金內酯，便會迅速萌發并侵入寄主植物的根部，建立寄生關系。傳統的防治方法如化學藥劑、輪作和土壤改良等效果有限，且成本高昂。因此，培育抗獨腳金寄生的作物品種成為解決這一問題的關鍵。(完)
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