靶向寄生虫 “生命线”：敲除 SL 转运蛋白赋予高粱持久抗独脚金能力

《Advanced Biotechnology》：Targeting the parasite’s lifeline: knockout of SL transporters confers durable Striga resistance in sorghum

在撒哈拉以南非洲和东南亚干旱农田，独脚金（Striga）寄生危害严重，传统防治方法无效。研究人员针对独脚金利用作物独脚金内酯（SLs）萌发问题，研究 SL 转运蛋白。结果发现敲除 SbSLT1/SbSLT2 可减少 SL 分泌，使高粱抗虫且不影响产量，为作物抗虫育种提供新思路。

　　在广袤的非洲撒哈拉以南地区以及东南亚的干旱农田，每到种植季节，一场悄无声息的灾难便会降临。独脚金（Striga），这种被称为 “巫草” 的寄生植物，凭借着从谷物作物中汲取养分的能力，无情地侵害着超过 4000 万公顷的农田。它每年给农业带来的损失超过 10 亿美元，还让无数小农户深陷贫困的泥沼。传统的防治手段，比如轮作、使用除草剂等，面对独脚金顽强的种子库和农民有限的资源，根本无能为力。

问题的关键在于一种分子层面的 “背叛”。独脚金内酯（Strigolactones，SLs）原本是作物用于吸引有益真菌、促进养分吸收的信号分子，却被独脚金当作萌发的信号。几十年来，研究人员尝试通过干扰 SLs 的合成来抵御独脚金，但这一方法不仅损害了作物的生长，还破坏了生态平衡。在这样的背景下，为了解决这一棘手难题，中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国农业大学的研究人员开展了一项意义重大的研究。最终，他们找到了新的策略 —— 聚焦 SLs 的转运而非合成，成功实现了在不影响作物健康的前提下，赋予高粱对独脚金的抗性。该研究成果发表在《Advanced Biotechnology》杂志上。

研究人员为开展这项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，利用 RNA 测序技术分析高粱在缺磷条件下以及 GR24₅DS（一种合成 SLs 类似物）处理下的根系，以此来寻找可能参与 SLs 转运的蛋白。其次，借助 AlphaFold2 预测技术，解析了相关转运蛋白的三维结构，为后续研究提供了重要依据。此外，通过 CRISPR-Cas9 基因编辑技术对高粱进行基因敲除，验证转运蛋白的功能。

研究结果如下：

1. SLs 的双重作用：SLs 具有两面性。在缺磷环境中，植物会释放 SLs 吸引真菌，增强自身对养分的吸收；然而，这些信号却会唤醒休眠的独脚金种子，使其通过特殊结构吸器侵入作物根部，窃取水分和养分，还释放毒素。减少 SLs 的产生，如通过 SbD17 突变，虽能降低独脚金的感染，但会阻碍植物生长、降低产量。而研究团队聚焦于 SLs 的转运而非生物合成，成功在抑制寄生虫萌发的同时，维持了作物的活力。
2. 解锁分泌机制：研究团队提出了一个关键问题：SLs 是如何离开植物根部的？已知缺磷会促进 SLs 的产生，研究人员假设存在特定的转运蛋白负责将其释放到土壤中。通过 RNA 测序，他们在高粱根表皮细胞中发现了两个 ABCG 家族转运蛋白 SbSLT1 和 SbSLT2，其在缺磷条件下活性较高。后续在酵母、非洲爪蟾卵母细胞和拟南芥中的实验进一步证实了它们在 SLs 输出中的作用。
3. 结构洞察指导精准工程：AlphaFold2 预测揭示了 SbSLT1 和 SbSLT2 的三维结构，发现它们有一个共享的疏水通道用于 SLs 的移动。其中，一个关键的苯丙氨酸残基（SbSLT1 中的 F693 和 SbSLT2 中的 F642）在运输过程中对稳定 SLs 分子至关重要。将该残基替换为丙氨酸后，酵母中的 SLs 输出受到干扰，证明了其重要功能。系统发育分析表明，从矮牵牛到番茄等多种植物中都保守存在这一苯丙氨酸残基，意味着存在一种普遍的运输机制。在玉米、水稻和小米的同源蛋白中也发现了类似残基，说明该机制在谷类作物中具有广泛适用性。
4. 从实验室到田间：CRISPR 编辑高粱取得成功：利用 CRISPR-Cas9 敲除 SbSLT1/2 后，水培实验显示 SLs 的分泌减少了 90% 以上。在独脚金肆虐的田间进行的试验结果令人瞩目：在两个生长季节中，双突变体上寄生的独脚金数量比野生型高粱减少了 94%。更重要的是，在没有寄生虫的田地中，突变体高粱的谷物产量和生物量保持不变，这充分证明抑制 SLs 的转运而非生产，能够保障作物的性能。

研究结论和讨论部分指出，该研究为解决独脚金寄生问题提供了具有里程碑意义的方案。通过编辑 SLs 转运蛋白而非生物合成基因，研究人员成功实现了在不降低产量的前提下赋予作物抗性。保守的苯丙氨酸残基为在玉米、水稻等其他作物中进行抗性工程设计提供了蓝图，有望帮助小农户打破由独脚金造成的贫困循环。不过，未来的研究还需针对更具侵略性的 S. hermonthica 验证这些结果，并评估长期的生态影响。随着进一步的优化，这一策略有望在全球范围内改变寄生杂草的管理方式，为农业可持续发展带来新的曙光。