破解“植物吸血鬼”之谜：中国科学家如何用基因剪刀守护粮食安全

这是“藏粮于技”的中国方案，农业科学家破解“植物吸血鬼”独脚金寄生难题，基因剪刀助力高粱抗害增产，守护全球粮食安全！

据光明日报2月14日消息，我国科学家首次从高粱中发现两个独脚金内酯外排转运蛋白SbSLT1和SbSLT2，敲除这两个基因后，高粱对独脚金（寄生在高粱上的一种植物，能导致高粱减产甚至死亡）的抗性显著提高，成果发表在2月12日出版的国际学术期刊《细胞》上。

这是一个具有里程碑意义的重大发现和重要突破，该发现和功能解析为作物抗独脚金寄生育种提供了新的思路和工具，具有重要的理论和应用价值。有望为寄生植物危害较为严重的地区（如部分亚洲和非洲国家）粮食安全做出重要贡献。

背景：

高粱、寄生植物

高粱——低调却重要的粮食作物

高粱是世界种植面积第五大粮食作物，起源于非洲，在全世界各地都有种植。高粱有着极强的适应性，高度耐逆、耐贫瘠，堪称作物中的“生存强者”。它耐旱，在年降水量较少的干旱地区，能凭借发达根系深入地下寻找水源；耐盐碱，在其他作物难以生长的盐碱地，高粱也能顽强扎根，正常生长。当前，非洲一些干旱半干旱国家，高粱是当地居民的主要粮食来源，在食物结构中占到三分之一以上。

从产量来看，2023年，全球高粱种植面积约6亿亩，非洲的苏丹是第一种植大国，约1亿亩，中国是高粱的主要生产国之一，种植面积约1200万亩。高粱具有广泛的用途。在食用方面，它是许多地区人们的主食，经过加工可制成高粱米、高粱面，用于制作各种面食、粥品等。在工业领域，高粱是酿造白酒的重要原料，我国许多知名白酒品牌都以高粱为主要酿造材料，赋予白酒独特的风味和品质。此外，高粱还可用于饲料加工，为畜牧业发展提供优质的饲料来源，对保障肉类供应和畜牧业发展意义重大。

寄生植物——植物吸血鬼

寄生植物是一类不能完全或不能独立进行光合作用，依赖宿主植物提供水分、无机盐和有机营养物质来生存的植物。

寄生植物对农作物构成重大威胁，其侵入作物组织吸取营养的方式，类似于人类寄生虫对健康的影响，严重干扰作物正常生长，影响农业生产与生态平衡。尤其是名为独脚金属和列当属的寄生植物对农作物造成严重危害。其中，独脚金属主要寄生在高粱、玉米、谷子等作物上，严重制约着非洲、亚洲和部分热带地区的粮食生产；而列当属主要影响的蔬菜作物如番茄、马铃薯、向日葵等。

干旱、贫瘠（尤其是缺磷）条件会诱导高粱等作物根系分泌独脚金内酯，刺激土壤中独脚金种子的萌发，导致寄生问题。

认识敌人：

寄生植物如何摧毁我们的粮仓

No1：农田里的隐形杀手

在非洲的广袤农田，主要是高粱田中，有一种被称作“巫婆草”的植物，让当地农民们忧心忡忡；而在我国西南山区，农民们也长期与一种名为“山芝麻”的植物进行着无声的较量。实际上，它们的学名为独脚金（Striga）。这种看似柔弱、植株高度不足30厘米的植物，实际上是一种很可怕的恶性半寄生杂草，它寄生的植物范围特别广，高粱、小米、玉米、甘蔗、菜豆、烟草，都是它赖以寄生的对象，每年给全球农业带来了巨大的挑战。

No2：生物界的“特洛伊木马”

独脚金的种子拥有超强的生命力，能在地下潜伏长达20年之久，一旦感知到宿主作物（高粱等）的信号，就会迅速萌发，像吸血鬼一样，从宿主作物中汲取养分，严重威胁农作物的生长。事实上，它的种子在名为“独脚金内酯”的激素存在下才能萌发，而高粱根可以释放这种激素。

独脚金的寄生过程宛如一场精心策划的骗局：它的种子在土壤中长时间休眠，静静等待着宿主释放出的信号，一旦感知到高粱等宿主植物根部释放的独脚金内酯（一种植物激素），极小的、仅有0.3毫米的种子便会迅速萌发。在短短48小时内，其芽管就能穿透作物根系，成功建立起“吸血通道”，开始源源不断地从宿主作物中摄取养分，在寄主奄奄一息之时，独脚金却靠着它欣欣向荣。它的存在严重影响作物的正常生长发育，造成农作物减产甚至绝收。

No3：全球农业的百亿美元黑洞

据估算，独脚金属和列当属等寄生植物每年给全球农业造成的经济损失高达100亿-120亿美元，这一数字背后是无数农民的辛勤付出付诸东流，以及农业产业供应链的巨大震荡。在粮食安全方面，在非洲部分深受独脚金危害的地区，高粱的绝收率竟然达到了70%，粮食产量大幅下降，直接威胁到当地的粮食安全和民生稳定；在生态安全方面，独脚金的繁殖能力极强，一株独脚金可产生多达十几万粒种子，这些种子散落在土壤中，进一步扩大了其危害范围，破坏当地的农业生态平衡。

No4：传统防治的三大困境

长期以来，人们一直在努力寻找有效的方法来防治独脚金，但传统防治手段存在诸多难题：化学防控主要依靠除草剂，然而，除草剂在杀死独脚金的同时，也会对农作物造成损害，并且会对土壤和水体造成严重的污染，破坏生态环境；农业措施方面，轮作是一种常见的方法，但轮作需要休耕3-5年，这在耕地资源紧张的今天，无疑加剧了土地资源的压力；生物防治使用真菌杀虫剂，虽然相对环保，但这种方法见效缓慢，而且成本高昂，难以大规模推广应用。

2025年初，中国科学院遗传与发育生物学研究所科研团队与中国农业大学、先正达集团中国以及崖州湾国家实验室等多家单位取得的一项重大研究成果，为解决这一困扰全球农业多年的“植物吸血鬼”问题带来了新希望。

中国贡献：

从分子层面改写作物命运

No1：科学突破的核心密码

中国科学家研究团队经过不懈努力，发现了两个关键基因SbSLT1/SbSLT2，这两个基因在作物抵抗独脚金寄生的过程中发挥着至关重要的作用，就如同作物的“守门员”：在正常状态下，它们控制着运输通道，将独脚金内酯排出根部，这个过程类似于细胞排泄代谢废物。而当研究团队使用CRISPR“基因剪刀”敲除这两个基因后，运输通道就会被关闭。其产生的效果十分显著，独脚金因为接收不到独脚金内酯信号，就无法感知到宿主作物的位置，从而无法萌发，从而显著提高高粱的抗寄生能力，作物也就实现了“隐形防护”，有效抵御了独脚金的侵害。田间实验表明，敲除这两个基因的高粱品种，寄生率降低67%-94%，高粱的产量损失减少49%-52%。

No2：技术突破对比示意图

为了便于理解，我们把独脚金危害高粱和基因编辑两种模式进行对比。

[危害模式：独脚金大量寄生，夺取高粱生长养分]

高粱根部释放内酯→独脚金萌发→寄生于高粱→高粱大幅减产

[基因编辑模式：基因移除使独脚金“失明”，无法寄生于高粱]

独脚金SLT1/SLT2基因被移除→“独脚金内酯”信号阻塞→内酯滞留根部→独脚金“失明”→无法寄生高粱

敲除SbSLT1和SbSLT2基因的高粱品种对独脚金的抗性显著增强。（中国科学院遗传与发育生物学研究所供图）

No3：田间革命的数字见证

科研成果的价值最终要在实践中检验。在海南试验基地，经过基因编辑的高粱展现出了令人惊喜的变化：寄生率大幅降低，从原来每株15-20株独脚金降至1-3株；产量显著提升，产量损失减少达52%；并且在抗逆性方面表现出色，即使生长在磷匮乏的土壤中，依然能够保持70%的产能，这对于在一些土壤条件不佳地区推广种植高粱、保障粮食产量具有重要意义。

科技价值：

“藏粮于技”的生动实践

No1：农业生产的范式升级

这一科学突破为农业生产带来了全方位的变革。在育种方面，传统的抗病育种通常需要8-10年的时间，周期漫长且成本高昂，而利用基因编辑技术，仅需2-3年就能培育出具有抗独脚金能力的新品种，大大缩短了育种周期，提高了育种效率；从生态角度来看，由于减少了对化学农药的依赖，这不仅降低了农业面源污染，还提升了耕地的可持续利用率，保护了生态环境；在经济价值上，我国高粱主产区（如晋冀蒙等地）如果广泛应用这一技术，每年增收可能超过20亿元，有力地促进了农业经济的发展和农民收入的增加。

No2：粮食安全的多维护航

主粮方面：科研团队已经启动玉米、谷子等主粮作物的基因编辑计划，旨在通过基因技术增强这些主粮作物对独脚金等寄生植物的抗性，确保主粮的稳定生产，保障国家粮食安全。

油料方面：向日葵抗列当寄生的研究也取得了重要进展，目前已进入中试阶段。列当与独脚金类似，也是一种危害严重的寄生植物。向日葵抗列当研究的推进，对于保障油料作物的产量和质量，丰富我国食用油供应具有重要意义。

南南合作：中国积极践行大国责任，向非洲14国输出杂交水稻、菌草、稻渔综合种养等先进农业技术，帮助非洲国家应对独脚金等寄生植物的威胁，提升当地农业生产水平。随着这项技术的成熟，也必将在南南农业合作中应用，共同维护全球粮食安全。

未来农业的科技拼图。展望未来，这项技术还将在更多领域发挥作用。在智慧育种方面，崖州湾实验室已经建成了全球最大的作物基因数据库，为基因编辑技术提供了强大的数据支持，有助于加速培育更多具有优良性状的作物品种；合成生物学领域，科学家们正在尝试人工设计具有“抗寄生+耐旱”等复合性状的作物，以应对日益复杂的自然环境和农业生产挑战；在碳汇农业方面，通过减少耕地开发，提高土地利用效率，减少农业生产对环境的负面影响，为实现碳中和目标贡献农业力量。

No3：科学背后的中国智慧

这项具有重大意义的突破背后，是一套独具特色的创新体系。在协同攻关方面，中科院、中国农大等凭借其在基础研究领域的深厚积累，为先正达等企业提供了理论支持；先正达则专注于技术转化，将科研成果转化为实际应用；崖州湾在种质创新方面发挥了重要作用，通过整合各方优势资源，形成了产学研一体化的创新格局。在技术储备上，研究过程涉及了3000份高粱种质、200万组基因数据，庞大的数据积累为研究的成功奠定了坚实基础。同时，中国在基因编辑领域始终秉持伦理先行的原则，建立了全球首个作物基因编辑安全评估标准，确保了基因编辑技术在安全、可控的前提下发展应用。

当我们在超市轻松选购高粱米时，当我们品尝着高粱制作的美食时，或许很难想象这背后凝聚着科研人员的无数心血和漫长的科学探索历程。从科学家在实验室里借助显微镜捕捉基因的奥秘，到农民在田间收获丰收的喜悦，这项抗独脚金基因的发现生动诠释了“藏粮于技”的深刻内涵。在当前气候变化与粮食危机相互交织的严峻形势下，中国正以科技创新为钥匙，努力开启人类与自然和谐共生的未来之门。在那片充满希望的田野上，不再有“植物吸血鬼”独脚金的肆虐，而是处处洋溢着粮食丰收的景象，展现着农业可持续发展的美好前景。

作者 | 中国农业电影电视中心特约记者

责任编辑 | 徐菁 赵宁宁

栏目主理人 | 曾丽清

编审 | 宋锦峰

资料参考 | 新华网、光明日报、中国科学院网站等

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