寄生植物對(duì)作物的危害由來(lái)已久，尤以列當(dāng)科-獨(dú)腳金屬和列當(dāng)屬寄生植物危害最為嚴(yán)重。獨(dú)腳金主要危害高粱、玉米和谷子等單子葉作物，列當(dāng)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(jī)制，解析宿主與寄生植物互作過(guò)程，對(duì)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(shí)，干旱、貧瘠（尤其是缺磷）條件會(huì)誘導(dǎo)作物根系分泌獨(dú)腳金內(nèi)酯，刺激土壤中獨(dú)腳金種子萌發(fā)，導(dǎo)致寄生問(wèn)題。因此，高粱成為獨(dú)腳金的主要宿主，被視為研究植物寄生問(wèn)題的模式作物。近些年，關(guān)于通過(guò)調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯合成通路來(lái)抗寄生的研究有所報(bào)道，但缺磷環(huán)境下作物與獨(dú)腳金互作的分子機(jī)制不甚清晰。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所謝旗團(tuán)隊(duì)為探究缺磷條件下高粱誘導(dǎo)獨(dú)腳金寄生的生理過(guò)程，創(chuàng)建了高粱水培缺磷模擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步，研究通過(guò)缺磷處理和SL處理高粱根系轉(zhuǎn)錄組測(cè)序聯(lián)合分析，確定了ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族編碼基因SbSLT1和SbSLT2為高粱SL外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的候選基因。SbSLT1和SbSLT2受到缺磷和SL處理顯著誘導(dǎo)表達(dá)。表達(dá)模式、原位雜交等實(shí)驗(yàn)表明，SbSLT1和SbSLT2主要在高粱根系表皮細(xì)胞表達(dá)，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(xì)胞及擬南芥異源表達(dá)系統(tǒng)，證實(shí)SbSLT1和SbSLT2具有顯著的SL轉(zhuǎn)運(yùn)活性。進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)活性，強(qiáng)調(diào)了SbSLT1和SbSLT2在高粱ABCG家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的SL轉(zhuǎn)運(yùn)功能特異性。
為解析SbSLT1和SbSLT2轉(zhuǎn)運(yùn)SL的分子機(jī)制，該研究利用AlphaFold并結(jié)合HOLE方法，對(duì)SbSLT1和SbSLT2在細(xì)胞膜上形成的SL轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定SbSLT1-F693和SbSLT2-F642為關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)。研究顯示，同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE不存在該保守氨基酸位點(diǎn)，這解釋了二者不具備SL轉(zhuǎn)運(yùn)活性的現(xiàn)象。蛋白序列比對(duì)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有該保守苯丙氨酸位點(diǎn)，說(shuō)明單雙子葉植物可能存在保守的SL轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。
為驗(yàn)證SbSLT1和SbSLT2基因在高粱中的功能，該研究構(gòu)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(duì)照株系顯著降低，且利用該分泌物處理獨(dú)腳金種子，萌發(fā)率顯著下降。田間小區(qū)實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了“無(wú)損抗寄生”的研究目標(biāo)。
SbSLT1和SbSLT2基因在提升作物抗寄生能力，減少寄生對(duì)作物造成的損失方面具有顯著的應(yīng)用潛力。這一成果為解決高粱和玉米等經(jīng)濟(jì)作物抗獨(dú)腳金等寄生植物寄生問(wèn)題提供了新策略，有望為應(yīng)對(duì)寄生植物造成的經(jīng)濟(jì)損失和糧食安全問(wèn)題作出貢獻(xiàn)。
2月12日，相關(guān)研究成果以Resistance to Striga Parasitism through Reduction of Strigolactone Exudation為題，發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等的支持。該工作由遺傳發(fā)育所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等完成。
