作物如何抵御寄生植物威脅？中國團(tuán)隊(duì)最新研究提出解決方案

寄生植物會對農(nóng)作物帶來巨大沖擊甚至毀滅性的打擊，從而嚴(yán)重威脅糧食安全。這種情況該如何有效應(yīng)對與解決，長期以來備受關(guān)注。

高粱中首次發(fā)現(xiàn)兩大關(guān)鍵基因

來自中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(遺傳發(fā)育所)的消息說，該所科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)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(fā)現(xiàn)兩大關(guān)鍵基因，通過基因編輯修飾具有廣泛的重要作物抗寄生應(yīng)用前景。

本項(xiàng)研究成果示意圖。中國科學(xué)院遺傳發(fā)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(xué)院遺傳發(fā)育所謝旗研究員、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲教授和中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所研究員、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室主任李家洋院士領(lǐng)銜科研團(tuán)隊(duì)與合作者共同完成，相關(guān)成果論文北京時(shí)間2月13日凌晨在國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)上線發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)介紹說，寄生植物通過特殊的結(jié)構(gòu)(如吸器)侵入寄主植物的組織，從中吸取所需的營養(yǎng)物質(zhì)，影響作物正常生長。因此，寄生植物對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)有重要影響，尤其是獨(dú)腳金屬和列當(dāng)屬寄生植物對農(nóng)作物造成嚴(yán)重危害。獨(dú)腳金屬主要寄生高粱、玉米、谷子等單子葉作物，嚴(yán)重制約非洲、亞洲和部分熱帶地區(qū)糧食生產(chǎn)。

本項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過原創(chuàng)性解析缺磷條件下獨(dú)腳金易萌發(fā)寄生的生理過程，發(fā)現(xiàn)缺磷促進(jìn)高粱獨(dú)腳金內(nèi)酯(Strigolactones，SLs)外排的現(xiàn)象，基于原創(chuàng)的基因挖掘技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及基因編輯技術(shù)和相關(guān)分子及細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)，首次鑒定出高粱中兩個(gè)關(guān)鍵的獨(dú)腳金內(nèi)酯外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，并將這兩個(gè)基因命名為SbSLT1(Sorghum biocolor SL transporter1)和SbSLT2(Sorghum biocolor SL transporter2)。

研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)基因在高粱誘導(dǎo)獨(dú)腳金的種子萌發(fā)和生長中起到重要作用，敲除這兩個(gè)基因后，獨(dú)腳金種子的萌發(fā)顯著降低，高粱的抗寄生能力顯著提高。在獨(dú)腳金高發(fā)地區(qū)進(jìn)行的田間小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明，敲除SbSLT1和SbSLT2基因的高粱品種對獨(dú)腳金的抗性顯著增強(qiáng)，寄生率降低67%-94%，同時(shí)高粱的產(chǎn)量損失減少49%-52%。

重要作物抗寄生應(yīng)用前景廣闊

進(jìn)一步通過人工智能(AI)模擬預(yù)測SbSLT1和SbSLT2上形成SL轉(zhuǎn)運(yùn)通道的關(guān)鍵氨基酸苯丙氨酸位點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)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(shí)，從而證明SL轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)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(yīng)用前景的解決方案。

研究團(tuán)隊(duì)表示，未來將進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)基因在其他重要作物中的作用，并推動(dòng)抗獨(dú)腳金寄生作物的商業(yè)化應(yīng)用。

獨(dú)腳金寄生過程極隱蔽難防治

研究團(tuán)隊(duì)介紹說，獨(dú)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(zhì)，在中國廣東、廣西、貴州、云南和海南地區(qū)亦有分布。據(jù)報(bào)道，獨(dú)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(nóng)作物危害之一。

此外，列當(dāng)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(nèi)蒙古等地區(qū)，列當(dāng)對向日葵和番茄的寄生危害尤為嚴(yán)重，常導(dǎo)致減產(chǎn)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(yán)重危害。

這些寄生植物每年在全球造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)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(dú)腳金、菟絲子、肉蓯蓉和鎖陽是一類在傳統(tǒng)中醫(yī)藥中廣泛使用的藥材，被收錄于《本草綱目》等經(jīng)典中醫(yī)藥文獻(xiàn)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(tuán)隊(duì)指出，獨(dú)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(dú)腳金內(nèi)酯，便會迅速萌發(fā)并侵入寄主植物的根部，建立寄生關(guān)系。傳統(tǒng)的防治方法如化學(xué)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(dú)腳金寄生的作物品種成為解決這一問題的關(guān)鍵。(記者 孫自法)