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謝旗研究組等合力揭曉麻雀選食不同高粱的分子機制

  2019923日,Cell雜志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,使籽粒破損並發黴,同時傳播各種病蟲害,造成不同程度的減産,有研究報道鳥害能使高粱減産超過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。前期我們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。那麽麻雀類似于人的這種“挑食”行爲到底是由什麽引起的呢?解析這一問題是否能夠爲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、鹽堿、貧瘠性狀以及巨大的生物量而區別于其它農作物被廣泛地應用到飼料、能源和燃料中。迄今爲止由于高粱的抗逆特性,仍然是世界幹旱和半幹旱地區超過5億人的主糧作物。之前一般認爲高粱的包殼程度越高、穗型越散、有芒、種皮顔色越深、單甯含量越高越抗鳥。然而高粱自身如何抵抗鳥害的分子機制仍不清楚。 

 

  近日,中國科學院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室謝旗團隊與其它三個實驗室聯合攻關,在Molecular Plant發表了一篇題爲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爲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。 

 

  謝旗研究团队首先通过对兩個不同的自然群体同时进行两年三点两重复鸟吃或不吃的表型调查,通过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 (1)Tannin1是一個控制高粱單甯合成很關鍵的基因。同時也發現以前推測的與鳥取食相關性狀在包殼、穗型、芒、種皮顔色和單甯含量這五個性狀中,只有單甯含量這個性狀與高粱抗鳥是呈極顯著相關性。 

    

  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)(C) 兩個GWAS群體檢測到的單主效位點和縮合單甯含量檢測到的Tannin1 位點 (D) 是共線的。(E) Tannin1的自然變異類型。 

    

  通過隨機選取了6個高粱抗鳥的品種 (Bird-avoidance, Tannin1)12個不抗鳥的品種 (Bird-preference, tan1-a/b)對單甯合成機制中的靶標代謝産物進行了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。標准鳥類(麻雀)行爲學實驗證明其代謝産物花青素和原花青素是影響麻雀食性行爲的根本原因。 

 

  植物與動物之間存在各種互作關系。植物能釋放出一些有香味的揮發物作爲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爲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,進一步通過麻雀行爲學實驗證直接證明了己醛和1-辛烯-3-醇兩種揮發物的確可以作爲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基因的表達來抑制脂肪酸合成,最終通過LOX途徑降解而産生。 

 

  2: Tannin1參與高粱抗鳥的分子機制模型 

  綜上,該研究揭示了Tannin1通過同時參與調控單甯合成以及脂肪酸來源的揮發物合成的分子機制來産生高含量的單甯和低濃度的、有香味的揮發物進而躲避和防禦麻雀以達到抗鳥的目的。此研究既爲培育高粱抗鳥新品種提供了重要的基因資源,同時也爲利用單甯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。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所的博士研究生謝鵬史佳陽和副研究員唐三元爲論文的共同第一作者,謝旗研究員和吳耀榮副研究员为共同通讯作者。同时中國科學院遗传与发育生物学研究所的王國棟研究员,中國科學院动物所的雷富民研究員,清華大學的何偉教授課題組也參與了該研究。該研究得到了甯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。