寄生植物對作物的危害由來已久，尤以列當科-獨腳金屬和列當屬寄生植物危害最為嚴重。獨腳金主要危害高粱、玉米和谷子等單子葉作物，列當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。
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所謝旗團隊為探究缺磷條件下高粱誘導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處理高粱根系轉錄組測序聯(lián)合分析，確定了ABC轉運蛋白家族編碼基因SbSLT1和SbSLT2為高粱SL外排轉運蛋白的候選基因。SbSLT1和SbSLT2受到缺磷和SL處理顯著誘導表達。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轉運活性，強調(diào)了SbSLT1和SbSLT2在高粱ABCG家族轉運蛋白中的SL轉運功能特異性。
為解析SbSLT1和SbSLT2轉運SL的分子機制，該研究利用AlphaFold并結合HOLE方法，對SbSLT1和SbSLT2在細胞膜上形成的SL轉運通道進行預測，同時結合實驗結果確定SbSLT1-F693和SbSLT2-F642為關鍵氨基酸位點。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轉運機制。
為驗證SbSLT1和SbSLT2基因在高粱中的功能，該研究構建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。
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基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。該工作由遺傳發(fā)育所、中國農(nóng)業(yè)大學、崖州灣國家實驗室等完成。
SbSLT1和SbSLT2調(diào)控高粱抗寄生能力工作模型
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