高粱抗寄生關(guān)鍵基因發(fā)現(xiàn)助力作物抵御寄生植物危害

　　寄生植物對作物的危害由來已久，尤以列當(dāng)科-獨腳金屬和列當(dāng)屬寄生植物危害最為嚴(yán)重。獨腳金主要危害高粱、玉米和谷子等單子葉作物，列當(dāng)主要危害番茄和向日葵等雙子葉作物。因此，研究寄生植物的作用機制，解析宿主與寄生植物互作過程，對作物抗寄生研究具有重要意義。

 

　　高粱具有高度耐逆、耐貧瘠等表型。同時，干旱、貧瘠（尤其是缺磷）條件會誘導(dǎo)作物根系分泌獨腳金內(nèi)酯，刺激土壤中獨腳金種子萌發(fā)，導(dǎo)致寄生問題。因此，高粱成為獨腳金的主要宿主，被視為研究植物寄生問題的模式作物。近些年，關(guān)于通過調(diào)控獨腳金內(nèi)酯合成通路來抗寄生的研究有所報道，但缺磷環(huán)境下作物與獨腳金互作的分子機制不甚清晰。

 

　　中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團隊為探究缺磷條件下高粱誘導(dǎo)獨腳金寄生的生理過程，創(chuàng)建了高粱水培缺磷模擬實驗系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了缺磷處理下高粱根系和水培液中SL含量顯著升高。進一步，研究通過缺磷處理和SL處理高粱根系轉(zhuǎn)錄組測序聯(lián)合分析，確定了ABC轉(zhuǎn)運蛋白家族編碼基因SbSLT1和SbSLT2為高粱SL外排轉(zhuǎn)運蛋白的候選基因。SbSLT1和SbSLT2受到缺磷和SL處理顯著誘導(dǎo)表達。表達模式、原位雜交等實驗表明，SbSLT1和SbSLT2主要在高粱根系表皮細胞表達，符合其外排SL到土壤中的功能特性。

 

　　該研究利用酵母、爪蟾卵母細胞及擬南芥異源表達系統(tǒng)，證實SbSLT1和SbSLT2具有顯著的SL轉(zhuǎn)運活性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，它們的同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE不具備SL轉(zhuǎn)運活性，強調(diào)了SbSLT1和SbSLT2在高粱ABCG家族轉(zhuǎn)運蛋白中的SL轉(zhuǎn)運功能特異性。

 

　　為解析SbSLT1和SbSLT2轉(zhuǎn)運SL的分子機制，該研究利用AlphaFold并結(jié)合HOLE方法，對SbSLT1和SbSLT2在細胞膜上形成的SL轉(zhuǎn)運通道進行預(yù)測，同時結(jié)合實驗結(jié)果確定SbSLT1-F693和SbSLT2-F642為關(guān)鍵氨基酸位點。研究顯示，同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE不存在該保守氨基酸位點，這解釋了二者不具備SL轉(zhuǎn)運活性的現(xiàn)象。蛋白序列比對發(fā)現(xiàn)，單子葉植物中SbSLT1和SbSLT2的同源蛋白與已知的雙子葉SL轉(zhuǎn)運蛋白具有該保守苯丙氨酸位點，說明單雙子葉植物可能存在保守的SL轉(zhuǎn)運機制。

 

　　為驗證SbSLT1和SbSLT2基因在高粱中的功能，該研究構(gòu)建SbSLT1和SbSLT2基因編輯敲除株系發(fā)現(xiàn)，敲除突變體材料的根系分泌物中SL含量較對照株系顯著降低，且利用該分泌物處理獨腳金種子，萌發(fā)率顯著下降。田間小區(qū)實驗顯示，突變掉SbSLT1和SbSLT2基因的高粱寄生率降低了67%至94%以上，高粱的產(chǎn)量損失減少了49%至52%，初步實現(xiàn)了“無損抗寄生”的研究目標(biāo)。

 

　　SbSLT1和SbSLT2基因在提升作物抗寄生能力，減少寄生對作物造成的損失方面具有顯著的應(yīng)用潛力。這一成果為解決高粱和玉米等經(jīng)濟作物抗獨腳金等寄生植物寄生問題提供了新策略，有望為應(yīng)對寄生植物造成的經(jīng)濟損失和糧食安全問題作出貢獻。

 

　　2月12日，相關(guān)研究成果以Resistance to Striga Parasitism through Reduction of Strigolactone Exudation為題，發(fā)表在《細胞》（Cell）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等的支持。該工作由遺傳發(fā)育所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、崖州灣國家實驗室等完成。