中国农业大学合作最新《Cell》

近日，中国农业大学草业科学与技术学院于菲菲教授联合中国科学院遗传与发育生物学研究所、崖州湾国家实验室等单位合作协同攻关，在《细胞》（Cell）杂志在线发表了题为《Resistance to Striga Parasitism through Reduction of Strigolactone Exudation》的研究论文，首次揭示了缺磷环境促进作物SL外排的生理现象，并解析了其分子机制，填补了通过调控SL外排控制独脚金寄生研究领域的空白。

寄生植物对作物的危害由来已久，其中尤以列当科-独脚金属（Striga spp.）和列当属（Orobanche spp.）寄生植物危害最为严重。独脚金主要危害高粱、玉米及谷子等单子叶作物，而列当则主要危害番茄、向日葵等双子叶作物。二者每年造成约近7000万公顷土地受到侵染，3亿人粮食安全受到威胁，直接经济损失达100-120亿美元。因此，深入研究寄生植物的作用机制，解析宿主与寄生植物互作过程，对于作物抗寄生研究具有重要意义。

高粱是世界第五大粮食作物，起源于非洲萨赫勒地区，具有高度耐逆、耐贫瘠等表型。同时，干旱、贫瘠（尤其是缺磷）条件会诱导作物根系分泌独脚金内酯（Strigolactones, SLs），刺激土壤中独脚金种子的萌发，导致寄生问题。因此，高粱成为独脚金的主要宿主，也常被用作研究植物寄生问题的模式作物。尽管近些年关于通过调控独脚金内酯合成通路来抗寄生的研究有所报道，但对于缺磷环境下作物与独脚金互作的分子机制仍知之甚少。

为探究缺磷条件下高粱诱导独脚金寄生的生理过程，研究团队创建了高粱水培缺磷模拟实验系统，并发现在缺磷处理下高粱根系和水培液中SL含量显著升高。进一步通过缺磷处理和SL处理高粱根系转录组测序联合分析，确定了ABC转运蛋白家族编码基因 SbSLT1 和 SbSLT2 为高粱SL外排转运蛋白的候选基因。SbSLT1 和 SbSLT2 受到缺磷和SL处理显著诱导表达，表达模式、原位杂交等实验表明 SbSLT1 和 SbSLT2 主要在高粱根系表皮细胞表达，符合其外排SL到土壤中的功能特性。

进一步利用酵母、爪蟾卵母细胞以及拟南芥异源表达系统，证实了SbSLT1和SbSLT2均具有显著的SL转运活性。进一步探究发现它们的同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE均不具备SL转运活性，强调了SbSLT1和SbSLT2在高粱ABCG家族转运蛋白中的SL转运功能特异性。

为深入解析SbSLT1和SbSLT2转运SL的分子机制，研究团队利用AlphaFold结合HOLE对SbSLT1和SbSLT2在细胞膜上形成的SL转运通道进行了预测，结合实验结果最终确定了SbSLT1-F693和SbSLT2-F642为关键氨基酸位点，有趣的是，同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE并不存在该保守氨基酸位点，这也解释了二者不具备SL转运活性的现象。通过蛋白序列比对发现，单子叶植物中SbSLT1和SbSLT2的同源蛋白与已知的双子叶SL转运蛋白均具有该保守苯丙氨酸位点，说明在单双子叶植物中可能存在保守的SL转运机制。

进一步构建高粱 SbSLT1 和 SbSLT2 基因编辑敲除株系进行功能验证，发现敲除突变体材料的根系分泌物中SL含量较对照株系显著降低，且利用该分泌物处理独脚金种子，萌发率显著下降。田间小区实验发现突变掉 SbSLT1 和 SbSLT2 基因的高粱寄生率降低了67-94%以上，同时高粱的产量损失减少了49%-52%，初步实现了“无损抗寄生”的研究目标。

因此，SbSLT1和SbSLT2基因在提升作物抗寄生能力，减少寄生对作物造成的损失方面具有显著的应用潜力。这项研究为高粱、玉米等经济作物抗独脚金等寄生植物寄生问题提供了新的解决策略，为应对寄生植物对全球经济损失和粮食安全威胁具有重要战略意义。

SbSLT1 和 SbSLT2 调控高粱抗寄生能力工作模型

相关研究成果联合多家单位共同完成，中国农业大学于菲菲教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所/先正达中国的谢旗研究员、以及中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾实验室李家洋院士为该论文的通讯作者，博士后史佳阳为论文的第一作者。中国农业大学武维华院士和王毅教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航研究员、褚金芳研究员、王冰研究员为该研究提供了重要的材料及建设性的意见。同时，辛培勇副研究员以及夏然博士也参与了这一项研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导项目和中央高校基本科研业务费专项资金等资助。

来源：中国农大新闻网