作物如何抵御寄生植物威脅？中國團隊最新研究提出解決方案

發(fā)布時(shí)間：2025-02-13

      寄生植物會(huì )對農作物帶來(lái)巨大沖擊甚至毀滅性的打擊，從而嚴重威脅糧食安全。這種情況該如何有效應對與解決，長(cháng)期以來(lái)備受關(guān)注。

      高粱中首次發(fā)現兩大關(guān)鍵基因

      來(lái)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(shuō)，該所科研團隊聯(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)現兩大關(guān)鍵基因，通過(guò)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(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)驗室主任李家洋院士領(lǐng)銜科研團隊與合作者共同完成，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《細胞》(Cell)上線(xiàn)發(fā)表。

      研究團隊介紹說(shuō)，寄生植物通過(guò)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(yíng)養物質(zhì)，影響作物正常生長(cháng)。因此，寄生植物對農業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)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(chǎn)。

      本項研究中，研究團隊通過(guò)原創(chuàng )性解析缺磷條件下獨腳金易萌發(fā)寄生的生理過(guò)程，發(fā)現缺磷促進(jìn)高粱獨腳金內酯(Strigolactones，SLs)外排的現象，基于原創(chuàng )的基因挖掘技術(shù)結合大數據分析及基因編輯技術(shù)和相關(guān)分子及細胞生物學(xué)技術(shù)，首次鑒定出高粱中兩個(gè)關(guān)鍵的獨腳金內酯外排轉運蛋白，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，這兩個(gè)基因在高粱誘導獨腳金的種子萌發(fā)和生長(cháng)中起到重要作用，敲除這兩個(gè)基因后，獨腳金種子的萌發(fā)顯著(zhù)降低，高粱的抗寄生能力顯著(zhù)提高。在獨腳金高發(fā)地區進(jìn)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(zhù)增強，寄生率降低67%-94%，同時(shí)高粱的產(chǎn)量損失減少49%-52%。

      重要作物抗寄生應用前景廣闊

      進(jìn)一步通過(guò)人工智能(AI)模擬預測SbSLT1和SbSLT2上形成SL轉運通道的關(guān)鍵氨基酸苯丙氨酸位點(diǎn)，研究團隊發(fā)現該位點(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(lái)將進(jìn)一步驗證相關(guān)基因在其他重要作物中的作用，并推動(dòng)抗獨腳金寄生作物的商業(yè)化應用。

      獨腳金寄生過(guò)程極隱蔽難防治

      研究團隊介紹說(shuō)，獨腳金拉丁名意為女巫，因此又被稱(chēng)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(chǎn)絕收；菟絲子屬也是一種常見(jiàn)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(cháng)對宿主造成嚴重危害。

      這些寄生植物每年在全球造成經(jīng)濟損失高達100億-120億美元。

      不過(guò)，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(yáng)是一類(lèi)在傳統中醫藥中廣泛使用的藥材，被收錄于《本草綱目》等經(jīng)典中醫藥文獻中，用于治療小兒疳積、消化不良腎陽(yáng)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(guò)程極為隱蔽且難以防治，其種子在土壤中可以休眠超過(guò)20年，一旦感知到寄主植物釋放的獨腳金內酯，便會(huì )迅速萌發(fā)并侵入寄主植物的根部，建立寄生關(guān)系。傳統的防治方法如化學(xué)藥劑、輪作和土壤改良等效果有限，且成本高昂。因此，培育抗獨腳金寄生的作物品種成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

      （來(lái)源： 中新網(wǎng)）