高粱中首次发现两大关键基因

来自中国科学院遗传与发育生物学研究所(遗传发育所)的消息说，该所科研团队联手合作伙伴，最新在“作物抗寄生植物研究”方面取得具有里程碑意义的重大突破——从高粱中首次发现两大关键基因，通过基因编辑修饰具有广泛的重要作物抗寄生应用前景。

本项研究成果示意图。中国科学院遗传发育所 供图

这一将助力全球抵御寄生植物威胁、为保障世界粮食安全提供“中国方案”的重要研究，由中国科学院遗传发育所谢旗研究员、中国农业大学于菲菲教授和中国科学院遗传发育所研究员、崖州湾国家实验室主任李家洋院士领衔科研团队与合作者共同完成，相关成果论文北京时间2月13日凌晨在国际学术期刊《细胞》(Cell)上线发表。

研究团队介绍说，寄生植物通过特殊的结构(如吸器)侵入寄主植物的组织，从中吸取所需的营养物质，影响作物正常生长。因此，寄生植物对农业生产和生态系统有重要影响，尤其是独脚金属和列当属寄生植物对农作物造成严重危害。独脚金属主要寄生高粱、玉米、谷子等单子叶作物，严重制约非洲、亚洲和部分热带地区粮食生产。

本项研究中，研究团队通过原创性解析缺磷条件下独脚金易萌发寄生的生理过程，发现缺磷促进高粱独脚金内酯(Strigolactones，SLs)外排的现象，基于原创的基因挖掘技术结合大数据分析及基因编辑技术和相关分子及细胞生物学技术，首次鉴定出高粱中两个关键的独脚金内酯外排转运蛋白，并将这两个基因命名为SbSLT1(Sorghum biocolor SL transporter1)和SbSLT2(Sorghum biocolor SL transporter2)。

研究发现，这两个基因在高粱诱导独脚金的种子萌发和生长中起到重要作用，敲除这两个基因后，独脚金种子的萌发显著降低，高粱的抗寄生能力显著提高。在独脚金高发地区进行的田间小区试验结果表明，敲除SbSLT1和SbSLT2基因的高粱品种对独脚金的抗性显著增强，寄生率降低67%-94%，同时高粱的产量损失减少49%-52%。

重要作物抗寄生应用前景广阔

进一步通过人工智能(AI)模拟预测SbSLT1和SbSLT2上形成SL转运通道的关键氨基酸苯丙氨酸位点，研究团队发现该位点在所有重要作物的SbSLT1和SbSLT2同源蛋白中都存在，且玉米同源基因的SL外排功能已被证实，从而证明SL转运机制可能存在保守性，这为重要作物抗寄生提供了具有广泛应用前景的解决方案。

研究团队表示，未来将进一步验证相关基因在其他重要作物中的作用，并推动抗独脚金寄生作物的商业化应用。

独脚金寄生过程极隐蔽难防治

研究团队介绍说，独脚金拉丁名意为女巫，因此又被称为女巫草，暗喻其邪恶吸血的本质，在中国广东、广西、贵州、云南和海南地区亦有分布。据报道，独脚金与小麦秆锈病、马铃薯晚疫病、香蕉叶斑病、大豆锈病、稻瘟病以及木薯棕色条纹病毒并列为世界七大农作物危害之一。

此外，列当属寄生植物主要影响番茄、马铃薯等蔬菜作物以及向日葵等油料作物，在中国内蒙古等地区，列当对向日葵和番茄的寄生危害尤为严重，常导致减产绝收；菟丝子属也是一种常见的寄生植物，其主要宿主为大豆、番茄、辣椒以及苜蓿等，菟丝子可以成片生长对宿主造成严重危害。

这些寄生植物每年在全球造成经济损失高达100亿-120亿美元。

不过，寄生植物既是“魔鬼”，也有“天使”的另一面，如独脚金、菟丝子、肉苁蓉和锁阳是一类在传统中医药中广泛使用的药材，被收录于《本草纲目》等经典中医药文献中，用于治疗小儿疳积、消化不良肾阳虚衰、不孕不育和肠燥便秘等病症。

研究团队指出，独脚金的寄生过程极为隐蔽且难以防治，其种子在土壤中可以休眠超过20年，一旦感知到寄主植物释放的独脚金内酯，便会迅速萌发并侵入寄主植物的根部，建立寄生关系。传统的防治方法如化学药剂、轮作和土壤改良等效果有限，且成本高昂。因此，培育抗独脚金寄生的作物品种成为解决这一问题的关键。(完)