Cell | 中国农业大学于菲菲教授合作揭示关键基因将助力全球作物抵御寄生植物危害

       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。

       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，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。相关研究成果以“Resistance to Striga Parasitism through Reduction of Strigolactone Exudation”为题发表在国际高水平学术期刊Cell杂志。

       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。

图 SbSLT1和SbSLT2调控高粱抗寄生能力工作模型

       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该项研究工作。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。

专家点评

万建民（中国工程院院士、中国农业科学院 研究员）

       寄生植物被列为全球农业七大危害之一。独脚金是属于菟丝子科的寄生植物，通过寄生高粱、玉米、番茄等重要经济作物，掠夺宿主的水分和养分，导致作物严重减产甚至绝收，每年可造成数十亿美元的损失，严重威胁粮食安全。尽管传统防治方法如轮作和除草剂在一定程度上能够缓解独脚金的危害，但其效率低、成本高且对环境不友好。因此，开发基于分子生物学和遗传工程的新型抗寄生策略，成为解决这一问题的关键。谢旗/于菲菲/李家洋等合作团队在《细胞》（Cell）发表的最新研究成果为高粱抗独脚金寄生提供了突破性解决方案。该研究阐明了植物激素独脚金内酯（strigolactones, SLs）的转运机制，首次鉴定并解析了两个高粱ABCG转运蛋白SbSLT1和SbSLT2的功能。SLs在植物生长发育中发挥重要作用，同时也是独脚金种子萌发的关键信号分子。该研究通过一系列分子生物学和生物化学实验证实了SbSLT1和SbSLT2在高粱根系中发挥外排SL的功能，进一步利用AlphaFold2预测了SbSLT1和SbSLT2的蛋白质结构，并精准验证了其与SLs结合的关键位点。尽管SLs转运蛋白在单子叶和双子叶植物之间并不保守，但这些关键结合位点却高度保守，这为在其他作物中开发类似的抗寄生策略提供了重要参考。该研究进一步通过CRISPR/Cas9基因编辑技术在高粱敲除SbSLT1和SbSLT2，成功阻断了SLs从高粱根部向根际土壤的分泌，从而显著抑制了独脚金种子的萌发和寄生。同时在没有独脚金危害的环境中，突变体植株的生长与野生型没有差异。这一发现不仅验证了该策略防空独角金寄生的有效性，还表明其在实际农业生产中具有广泛的应用潜力。总之，这项研究不仅为解决独脚金寄生问题提供了创新性方案，也为全球粮食安全和农业可持续发展做出了重要贡献。未来，基于SLs转运蛋白的抗寄生策略有望在更多作物中推广应用，为应对全球农业挑战提供强有力的科技支撑。

谢道昕（中国科学院院士、清华大学 教授）

       植物寄生是指某些植物依赖或部分依赖宿主植物获取水分和养分、进行生长和繁殖的一种现象。独脚金（Striga spp.）是典型的完全寄生植物，严重危害高粱、玉米、谷子等单子叶粮食作物。特别是在非洲等地区，独脚金寄生导致宿主植物严重减产，已成为制约粮食生产的重要因素。散落在土壤中的独脚金的种子感知宿主植物释放的独脚金内酯类（SLs）化合物后才能萌发，并向宿主根部生长、然后形成吸器侵入宿主根部，进而摄取宿主植物的养分进行生长和繁殖。目前，如何有效防治寄生植物，已成为保障全球粮食安全的关键难题。中国科学院遗传与发育生物学研究所谢旗研究员团队与于菲菲教授团队、李家洋院士团队通过合作研究，首次发现并解析了高粱中SbSLT1和SbSLT2基因的功能，揭示其在限制独脚金内酯信号分子的外排和抗独脚金寄生的关键作用。通过创新的基因编辑手段削弱高粱根部外排的独脚金内酯信号分子，有效降低了独脚金的寄生，从而保障了高粱的产量稳定性。此外，通过AI模拟预测和结构生物学的相关探究，SbSLT1和SbSLT2上形成SL转运通道的关键氨基酸位点对于SL转至关重要，令人惊喜的是，这一氨基酸位点在单子叶植物如玉米、水稻和谷子等同源蛋白以及已报道的双子叶植物的SL转运蛋白中具有高度保守性。这一成果为高粱的寄生杂草抗性育种提供了重要基因资源，并为其它作物提高寄生抗性指明了道路，是作物抗性分子育种领域的里程碑式突破。特别是在非洲，这一成果对于防治独脚金危害、缓解粮食危机，将具有深远影响。未来，随着相关技术的进一步优化和商业化推进，这项成果有望全面改变寄生植物危害的防控格局，为全球农业生产带来变革性影响。

王二涛（中国科学院分子植物科学卓越创新中心 研究员）

       全球范围内，寄生植物独脚金（Striga spp.）对高粱、玉米等作物的危害日益加剧，尤其在非洲和亚洲部分地区，其寄生导致作物减产甚至绝收，严重威胁粮食安全。传统防治手段如化学药剂和轮作成本高、效果有限，且可能破坏土壤生态平衡。如何在不影响作物与有益微生物共生关系的前提下，培育抗独脚金寄生的作物品种，是农业可持续发展亟需解决的难题。

       谢旗研究员团队与中国农业大学、先正达集团中国及崖州湾实验室合作，首次在高粱中鉴定出独脚金内酯（SL）外排转运蛋白基因SbSLT1和SbSLT2，并通过基因编辑技术敲除这两个基因，显著抑制了SL向土壤中的分泌，使独脚金因无法感知宿主信号而萌发受阻，寄生率降低67-94%，显著减少高粱产量损失。这一成果为抗独脚金寄生育种提供了关键基因资源和理论支持，具有重要的应用潜力。此外，研究团队通过AI预测揭示了SL转运蛋白的在重要作物中的保守性和关键氨基酸位点，为其他作物的抗寄生育种提供了新思路。值得注意的是，SL不仅是独脚金萌发的信号分子，也是植物与丛枝菌根真菌（AM真菌）共生的重要调控因子。AM真菌通过帮助植物吸收磷、氮等营养元素，在贫瘠土壤中显著提升作物抗逆性。研究团队在田间试验中虽未发现基因编辑高粱的明显生长缺陷，但在长期推广中仍需关注SL分泌减少对AM真菌共生的潜在影响，尤其是在缺磷等依赖共生关系的环境中。未来研究可进一步探究独脚金寄生与AM共生之间存在的差异，例如对寄生与共生识别的SL类型是否一致，二者在发生时间上是否存在先后顺序等现象进行深入研究，从而规避“抗一害、生他弊”。此外，在推广前开展长期生态评估，监测SL分泌变化对土壤微生物群落和作物营养吸收的影响，将有助于确保新品种的生态安全性。谢旗/于菲菲/李家洋团队的研究为抗独脚金寄生育种开辟了新路径，其基因编辑策略兼具科学创新性与农业应用价值，为解决全球粮食安全问题提供了重要工具。未来通过精准调控SL分泌的类型，并兼顾植物-微生物共生网络的平衡，有望培育出“抗寄生不减共生、稳产量更护生态”的智能型作物，为可持续农业的发展注入新动力。