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遗传发育所等揭晓麻雀选食不同高粱的分子机制

 2019-11-01 14:29:23
[摘要] 9月23日,cell杂志社举行的全球新闻发布会介绍了中国科学家揭晓麻雀选食不同高粱的分子机制的研究成果。然而高粱自身如何抵抗鸟害的分子机制仍不清楚。通过应用宏基因组学、代谢组学、合成生物学及动物行为学

9月23日,细胞杂志举办的全球记者招待会介绍了中国科学家对麻雀选择不同高粱的分子机制的研究成果。相关研究结果在线发表在细胞子期刊《分子植物》上。

从籽粒灌浆阶段到作物成熟阶段,大量麻雀迁徙到农田啄食籽粒,导致籽粒受损发霉,同时传播各种病虫害,导致不同程度的减产。一些研究报告称,鸟害会使高粱产量减少50%以上。在20世纪70年代和80年代,欧洲、非洲和美国每年花费近10亿美元来研究如何防止鸟害并避免其巨大的农业损失。麻雀非常聪明和警觉,有很强的识别和记忆能力,并且非常警觉。先前的研究人员通过大量的野外观察发现麻雀选择性地捕食不同的高粱种子:在571个高粱自然变异群体中,近46.7%的高粱种子麻雀不喜欢吃。那么麻雀的“挑食”行为与人类相似的原因是什么呢?对这一问题的分析能为防治鸟类对作物的危害提供一个新的视角吗?高粱以其优异的抗旱、抗洪、抗盐碱、贫瘠的特性和巨大的生物量被广泛应用于饲料、能源和燃料。迄今为止,高粱由于其抗逆性,仍然是世界干旱和半干旱地区5亿多人的主要粮食作物。以前,人们普遍认为外壳的程度越高,穗型越分散,芒越多,种皮颜色越深,单宁含量越高,高粱对鸟类的抗性越强。然而,高粱本身抵抗鸟类伤害的分子机制仍然不清楚。

最近,中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组国家重点实验室的齐谐团队和其他三个实验室共同解决了关键问题。他发表了一篇研究论文,题为“单宁1通过调节分子植物中聚合物的生物合成和脂肪酸衍生的高粱挥发性来控制鸟类的摄食行为”。运用宏基因组学、代谢组学、合成生物学和动物行为学等方法,揭示了高粱调控花青素、原花青素和聚酰胺合成的分子机制,以及通过单宁酸1基因位点差异进行脂肪酸衍生香气挥发性合成,分析麻雀对高粱的“挑食”。

齐谐的研究小组首先通过gwas分析同时在两个不同的自然群体中检测到一个主要基因座单宁酸1基因,方法是进行一项为期两年的重复吃鸟或不吃鸟的表型调查(图1)。单宁n1是控制高粱单宁合成的关键基因。同时,还发现在之前推测的五个与鸟类取食相关的性状中,包括外壳、穗型、芒、种皮颜色和单宁含量,只有单宁含量与高梁鸟的抗性显著相关。

随机选择6个抗鸟高粱品种(避鸟、单宁1)和12个抗鸟高粱品种(偏好鸟、单宁1-a/b)进行lc-ms测定单宁合成机制中的目标代谢产物。结果发现,抗鸟品种中类黄酮、黄烷-3-醇、花青素和原花青素含量显著降低。标准鸟类(麻雀)的行为实验证明,其代谢产物花青素和原花青素是影响麻雀摄食行为的根本原因。

植物和动物之间有各种各样的相互作用。植物可以释放一些芳香挥发物作为引诱剂来吸引蜜蜂和其他授粉者,或者释放有毒物质及其前体挥发物作为抵御捕食者的警告剂。高粱籽粒灌浆期之前,麻雀在农田中很少见到,高粱籽粒灌浆期之后,大量麻雀迁徙到农田。这是否意味着高粱籽粒灌浆期间也会散发芳香挥发物来吸引麻雀?高粱籽粒灌浆期的Gc-ms分析表明,9种香气物质在抗鸟品种中积累显著。此外,麻雀行为实验直接证明己醛和1-辛烯-3-醇挥发物确实可以用作引诱剂来吸引麻雀进食。然而,已经证明这些短链挥发物通过单宁酸1/myb/bhlh转录复合物直接调节sbgl2基因的表达来抑制脂肪酸合成,该转录复合物最终通过lox途径降解产生。

综上所述,本研究揭示了单宁n1可以同时参与调节单宁合成和脂肪酸衍生挥发物合成的分子机制,产生高含量单宁和低浓度芳香挥发物,从而避免和保护麻雀达到抗鸟的目的。该研究不仅为高粱抗鸟新品种的选育提供了重要的基因资源,也为利用单宁设计开发新型绿色农药防治农业鸟类危害提供了全新的解决方案。

谢鹏博士、石家洋和遗传发展研究所副研究员唐三元是论文的共同主要作者,齐谐研究员和吴荣耀副研究员是论文的共同交流作者。与此同时,基因发展研究所研究员王国栋、中国科学院动物研究所研究员雷富民和清华大学教授何伟也参加了研究。该项研究得到了宁夏自治区科技厅育种计划、国家重点研发项目和中国科学院重点部署项目的支持。

图1: gwas分析检测到单宁n1基因是影响高梁鸟类抗性的单个主要位点。左边代表被鸟吃掉的高粱品种的表型,右边代表没有被鸟吃掉的高粱品种的表型。(b)和(c)由两个gwas群体检测到的单个主基因座和由缩合单宁含量检测到的单宁n1基因座(d)共线。(e)鞣质1的自然变异类型。

图2:单宁1参与高粱抗鸟分子机制模型。

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