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研究揭示麻雀選食不同高粱的分子機制

9月23日,Cell雜誌社舉行的全球新聞發布會介紹了中國科學家揭曉麻雀選食不同高粱的分子機制的研究成果。相關研究成果在Cell子刊Molecular Plant在線發表。

在作物灌漿期到成熟期,大量麻雀遷飛到農田中啄食籽粒,使籽粒破損並發霉,同時傳播各種病蟲害,造成不同程度的減產,有研究報導鳥害能使高粱減產超過50%以上。在上個世紀七八十年代,歐洲、非洲和美國每年要花費掉近10億美金的經費去研究如何防治鳥害以避免其帶來的巨大農業損失。麻雀非常聰明機警,有較強的識別和記憶力,警惕性非常高。前期研究人員通過大量田間觀察發現麻雀對不同的高粱種子有選擇性的捕食:在571份高粱自然變異群體中,其中接近46.7%的高粱種子麻雀不喜吃。那麽麻雀類似於人的這種“挑食”行為到底是由什麽引起的呢?解析這一問題是否能夠為防治農作物鳥害問題提供一個全新的視角呢?高粱以其優良的耐旱澇、鹽鹼、貧瘠性狀以及巨大的生物量而區別於其它農作物被廣泛地應用到飼料、能源和燃料中。迄今為止由於高粱的抗逆特性,仍然是世界乾旱和半乾旱地區超過5億人的主糧作物。之前一般認為高粱的包殼程度越高、穗型越散、有芒、種皮顏色越深、單寧含量越高越抗鳥。然而高粱自身如何抵抗鳥害的分子機制仍不清楚。

近日,中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗室謝旗團隊與其它三個實驗室聯合突破,在Molecular Plant發表了一篇題為Control of Bird Feeding Behavior by Tannin1 through Modulating the Biosynthesis of Polyphenols and Fatty Acid-Derived Volatiles in Sorghum的研究論文。通過應用宏基因組學、代謝組學、合成生物學及動物行為學等手段揭示了高粱通過Tannin1基因位點差異調控花青素和原花青素(Anthocyanin and PA)合成以及脂肪酸來源的香味揮發物合成的分子機制來解析麻雀對高粱“挑食”的現象。

謝旗研究團隊首先通過對兩個不同的自然群體同時進行兩年三點兩重複鳥吃或不吃的表型調查,通過GWAS分析在兩個群體中同時能檢測到一個單主效位點Tannin1基因 (圖1)。Tannin1是一個控制高粱單寧合成很關鍵的基因。同時也發現以前推測的與鳥取食相關性狀在包殼、穗型、芒、種皮顏色和單寧含量這五個性狀中,只有單寧含量這個性狀與高粱抗鳥是呈極顯著相關性。

通過隨機選取了6個高粱抗鳥的品種 (Bird-avoidance, Tannin1)和12個不抗鳥的品種 (Bird-preference,tan1-a/b)對單寧合成機制中的靶標代謝產物進行了LC-MS測定,發現黃酮類、黃烷-3-醇、花青素和原花青素在不抗鳥的品種中都出現了顯著的降低。標準鳥類(麻雀)行為學實驗證明其代謝產物花青素和原花青素是影響麻雀食性行為的根本原因。

植物與動物之間存在各種互作關係。植物能釋放出一些有香味的揮發物作為引誘劑來吸引蜜蜂等協助傳粉,或者有毒的物質和其前體揮發物作為警戒劑來抵禦天敵的捕食。在農田中,在高粱灌漿期之前很少能看到麻雀,而在高粱灌漿期之後大量麻雀遷飛至農田,這是否意味著灌漿期的高粱籽粒也會散發出有香味的揮發物來吸引麻雀呢?通過對高粱灌漿期的籽粒進行了GC-MS測定發現有9種有芳香氣味的揮發物在不抗鳥的品種中出現了顯著的積累,進一步通過麻雀行為學實驗直接證明了己醛和1-辛烯-3-醇兩種揮發物的確可以作為引誘劑來吸引麻雀取食。而這些短鏈揮發物被證明可能是通過Tannin1/Myb/bHLH轉錄複合體直接調控SbGL2基因的表達來抑製脂肪酸合成,最終通過LOX途徑降解而產生。

綜上,該研究揭示了Tannin1通過同時參與調控單寧合成以及脂肪酸來源的揮發物合成的分子機制來產生高含量的單寧和低濃度的、有香味的揮發物進而躲避和防禦麻雀以達到抗鳥的目的。此研究既為培育高粱抗鳥新品種提供了重要的基因資源,同時也為利用單寧設計開發新型綠色農藥來防治農業鳥害提供了全新的解決方案。

遺傳發育所博士研究生謝鵬、史佳陽和副研究員唐三元為論文的共同第一作者,研究員謝旗和副研究員吳耀榮為共同通訊作者。同時遺傳發育所研究員王國棟、中科院動物研究所研究員雷富民、清華大學教授何偉課題組也參與了該研究。該研究得到寧夏自治區科技廳育種專項、國家重點研發計劃和中科院重點部署專項的支持。

圖1: GWAS分析檢測到Tannin1基因是影響高粱抗鳥的單主效位點。(A) 左代表鳥吃的高粱品種表型,右代表鳥不吃的高粱品種表型。(B)和(C) 兩個GWAS群體檢測到的單主效位點和縮合單寧含量檢測到的Tannin1 位點(D) 是共線的。(E) Tannin1的自然變異類型。

圖2: Tannin1參與高粱抗鳥的分子機制模型

來源:中國科學院遺傳與發育生物學研究所

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