中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/玉米等作物種質(zhì)創(chuàng)新及分子育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任謝旗研究員課題組、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)于菲菲教授課題組以及中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李家洋院士課題組合作在Cell雜志在線發(fā)表研究論文，題為“Resistance?to?Striga?Parasitism?through?Reduction?of?Strigolactone?Exudation”。

該研究首次揭示了缺磷環(huán)境促進(jìn)作物SL外排的生理現(xiàn)象，并解析了其分子機(jī)制，填補(bǔ)了通過調(diào)控SL外排控制獨(dú)腳金寄生研究領(lǐng)域的空白。百邁客生物為該研究提供了生物云平臺(tái)分析服務(wù)。

研究背景

寄生植物對(duì)作物的危害由來已久，其中尤以列當(dāng)科-獨(dú)腳金屬（Striga?spp.）和列當(dāng)屬（Orobanche?spp.）寄生植物危害最為嚴(yán)重。獨(dú)腳金主要危害高粱、玉米及谷子等單子葉作物，而列當(dāng)則主要危害番茄、向日葵等雙子葉作物。二者每年造成約近7000萬公頃土地受到侵染，3億人糧食安全受到威脅，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100-120億美元。因此，深入研究寄生植物的作用機(jī)制，解析宿主與寄生植物互作過程，對(duì)于作物抗寄生研究具有重要意義。

高粱是世界第五大糧食作物，起源于非洲薩赫勒地區(qū)，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（Strigolactones,?SLs），刺激土壤中獨(dú)腳金種子的萌發(fā)，導(dǎo)致寄生問題。因此，高粱成為獨(dú)腳金的主要宿主，也常被用作研究植物寄生問題的模式作物。盡管近些年關(guān)于通過調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯合成通路來抗寄生的研究有所報(bào)道，但對(duì)于缺磷環(huán)境下作物與獨(dú)腳金互作的分子機(jī)制仍知之甚少。

研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

為探究缺磷條件下高粱誘導(dǎo)獨(dú)腳金寄生的生理過程，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了高粱水培缺磷模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)在缺磷處理下高粱根系和水培液中SL含量顯著升高。進(jìn)一步通過缺磷處理和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。

研究團(tuán)隊(duì)利用酵母、爪蟾卵母細(xì)胞以及擬南芥異源表達(dá)系統(tǒng)，證實(shí)了SbSLT1和SbSLT2均具有顯著的SL轉(zhuǎn)運(yùn)活性。進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)它們的同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE均不具備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。

為深入解析SbSLT1和SbSLT2轉(zhuǎn)運(yùn)SL的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)利用AlphaFold結(jié)合HOLE對(duì)SbSLT1和SbSLT2在細(xì)胞膜上形成的SL轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終確定了SbSLT1-F693和SbSLT2-F642為關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，有趣的是，同源蛋白SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE并不存在該保守氨基酸位點(diǎn)，這也解釋了二者不具備SL轉(zhuǎn)運(yùn)活性的現(xiàn)象。通過蛋白序列比對(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)蛋白均具有該保守苯丙氨酸位點(diǎn)，說明在單雙子葉植物中可能存在保守的SL轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

進(jìn)一步構(gòu)建高粱SbSLT1和SbSLT2基因編輯敲除株系進(jìn)行功能驗(yàn)證，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)發(fā)現(xiàn)突變掉SbSLT1和SbSLT2基因的高粱寄生率降低了67-94%以上，同時(shí)高粱的產(chǎn)量損失減少了49%-52%。

研究總結(jié)

綜上所述，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。該研究為高粱、玉米等經(jīng)濟(jì)作物抗獨(dú)腳金等寄生植物寄生問題提供了新的解決策略，為應(yīng)對(duì)寄生植物對(duì)全球經(jīng)濟(jì)損失和糧食安全威脅具有重要戰(zhàn)略意義。

這項(xiàng)突破性研究，不僅揭示了作物抵御寄生威脅的關(guān)鍵機(jī)制，更展現(xiàn)了從分子解析到田間驗(yàn)證的完整科研閉環(huán)。值得注意的是，百邁客生物云平臺(tái)為該研究的數(shù)據(jù)分析提供了重要支撐，再次印證了現(xiàn)代生命科學(xué)的重大突破，早已離不開生物信息學(xué)的強(qiáng)大支撐。

作為連接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與科研結(jié)論的核心橋梁，生信技能已成為前沿科研人員不可或缺的核心競(jìng)爭(zhēng)力?——?從基因組序列的精準(zhǔn)組裝、轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜的差異分析，到表觀遺傳修飾的特征挖掘、代謝組與表型組的關(guān)聯(lián)解析，再到分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與驗(yàn)證，每一個(gè)關(guān)鍵科研環(huán)節(jié)都離不開生信技術(shù)的深度參與。它不僅能幫助科研人員從海量、復(fù)雜的生物數(shù)據(jù)中挖掘出隱藏的生物學(xué)規(guī)律，更能打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的局限，實(shí)現(xiàn)?“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)科研創(chuàng)新”?的全新范式。

可以說，掌握扎實(shí)的生信技能，就意味著手握了打開生命奧秘之門的鑰匙，能夠在前沿科研領(lǐng)域搶占先機(jī)，加速?gòu)幕A(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的成果轉(zhuǎn)化。