摘要：全球每年因寄生植物造成的粮食损失高达100-120亿美元，其中独脚金内酯(Strigolactones, SLs)每年导致非洲、亚洲等地20%-80%作物减产，威胁超3亿人粮食安全，传统抗寄生手段常伴随作物产量下降，陷入"抗病减收"困境。
发表单位：中国科学院遗传发育所、中国农业大学、崖州湾国家实验室
发表期刊：Cell
影响因子：45.5
发表时间：2025年2月12日
DOI: 10.1016/j.cell.2025.01.022
全球每年因寄生植物造成的粮食损失高达100-120亿美元，其中独脚金内酯(Strigolactones, SLs)每年导致非洲、亚洲等地20%-80%作物减产，威胁超3亿人粮食安全，传统抗寄生手段常伴随作物产量下降，陷入"抗病减收"困境。
2025年2月12日，中国科学院遗传发育所联合中国农业大学、崖州湾国家实验室等单位在Cell发表突破性研究成果“Resistance to Striga parasitism through reduction of strigolactone exudation”，揭示高粱通过调控ABCG转运蛋白SbSLT1和SbSLT2减少独脚金内酯（SL）外排，实现抗寄生与稳产双赢。这项发现为全球粮食安全提供了全新解决方案。
二、研究背景
高粱作为世界第五大粮食作物，源自非洲萨赫勒地区，以其卓越的耐逆性和耐贫瘠能力而著称。然而，在干旱与贫瘠（特别是缺磷）的环境中，高粱根系会分泌独脚金内酯，这种物质能刺激土壤中的独脚金种子萌发，从而引发寄生问题。因此，高粱成为了独脚金的主要宿主，并常被用作研究植物寄生问题的模式作物。尽管近年来已有通过调控独脚金内酯合成通路来抵抗寄生的研究报道，但关于缺磷环境下作物与独脚金之间互作的分子机制，我们仍然知之甚少。
三、研究思路
1、研究背景
独脚金严重威胁作物，缺磷下互作机制待解。
2、关键基因筛选
构建水培缺磷系统。
转录组测序分析锁定SbSLT1与SbSLT2为候选基因。
3、基因功能验证
异源表达系统实验：证实SbSLT1和SbSLT2具有SL转运活性。
同源蛋白对比：发现SbSLT1-LIKE和SbSLT2-LIKE无SL转运活性。
4、转运机制探究
AlphaFold2结构预测：发现转运通道关键保守位点（SbSLT1-F693/SbSLT2-F642）。
同源蛋白SbSLT1-LIKE/SbSLT2-LIKE因缺乏该位点丧失转运功能 。
5、基因编辑与田间实验
构建SbSLT1和SbSLT2基因编辑敲除株系。
田间实验验证：敲除基因降低寄生率和产量损失。
6、首次实现"抗寄生不减产"目标
四、研究结果
团队首先建立了高粱水培缺磷模拟系统，发现缺磷会显著提升高粱根系及水培液中的SL含量。通过转录组测序分析，他们锁定了ABC转运蛋白家族的SbSLT1和SbSLT2作为SL外排的关键候选基因。这两个基因在缺磷和SL处理下表达显著增强，且主要定位于根系表皮细胞，符合其外排功能。
研究团队利用多种异源表达系统（酵母、爪蟾卵母细胞以及拟南芥），证实了SbSLT1和SbSLT2具有SL转运活性，而它们的同源蛋白则无此功能，凸显了SbSLT1和SbSLT2的特异性。进一步的研究通过AlphaFold和HOLE预测了SbSLT1和SbSLT2在细胞膜上形成的SL转运通道，并确定了关键氨基酸位点F693和F642。这些位点在同源蛋白中不存在，解释了其转运活性的差异。同时，序列比对显示，在单双子叶植物中可能存在保守的SL转运机制。
为验证基因SbSLT1和SbSLT2的功能，团队构建了基因编辑敲除株系。结果显示，敲除突变体的根系分泌物中SL含量显著降低，独脚金种子的萌发率也大幅下降。田间实验进一步证实，敲除这两个基因的高粱寄生率降低了67-94%，产量损失减少了49%-52%，实现了“无损抗寄生”的目标。
综上所述，SbSLT1和SbSLT2基因在提升作物抗寄生能力方面具有显著潜力，为高粱、玉米等经济作物应对独脚金等寄生植物提供了新的解决策略，对保障全球粮食安全和减少经济损失具有重要意义。
五、总结
此前，虽有研究从SL生物合成角度减少其产量以阻止独脚金萌发，但会导致高粱发育异常。本次研究则另辟蹊径，聚焦于限制SL向根际分泌。研究人员通过水培系统研究高粱在缺磷条件下的情况，检测到缺磷处理后高粱根系和水培液中SL含量显著升高，经转录组测序联合分析确定了SbSLT1和SbSLT2为候选基因。实验证实这两个转运蛋白具有显著的SL转运活性，且其同源蛋白不具备该活性，凸显了它们在高粱ABCG家族转运蛋白中的特异性。进一步研究明确了SbSLT1 - F693和SbSLT2 - F642为关键氨基酸位点，并发现单双子叶植物中可能存在保守的SL转运机制。进一步的研究表明，敲除这两个基因可以显著降低高粱根系分泌物中的SL含量，从而降低独脚金的萌发率和寄生率，同时减少高粱的产量损失。这一发现为高粱、玉米等经济作物抗独脚金等寄生植物提供了新的解决策略， 也为后续作物抗寄生研究及品种改良奠定了重要基础。
来源：电竞秋名山车神
