9月23日，Cell雜志社舉行的全球新聞發(fā)布會介紹了中國科學(xué)家揭曉麻雀選食不同高粱的分子機(jī)制的研究成果。相關(guān)研究成果在Cell子刊Molecular Plant 在線發(fā)表。
在作物灌漿期到成熟期，大量麻雀遷飛到農(nóng)田中啄食籽粒，使籽粒破損并發(fā)霉，同時傳播各種病蟲害，造成不同程度的減產(chǎn)，有研究報道鳥害能使高粱減產(chǎn)超過50%以上。在上個世紀(jì)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(jīng)費去研究如何防治鳥害以避免其帶來的巨大農(nóng)業(yè)損失。麻雀非常聰明機(jī)警，有較強(qiáng)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(fā)現(xiàn)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。那么麻雀類似于人的這種“挑食”行為到底是由什么引起的呢？解析這一問題是否能夠為防治農(nóng)作物鳥害問題提供一個全新的視角呢？高粱以其優(yōu)良的耐旱澇、鹽堿、貧瘠性狀以及巨大的生物量而區(qū)別于其它農(nóng)作物被廣泛地應(yīng)用到飼料、能源和燃料中。迄今為止由于高粱的抗逆特性，仍然是世界干旱和半干旱地區(qū)超過5億人的主糧作物。之前一般認(rèn)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(jī)制仍不清楚。
近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所植物基因組學(xué)國家重點實驗室謝旗團(tuán)隊與其它三個實驗室聯(lián)合攻關(guān)，在Molecular Plant 發(fā)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(yīng)用宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)、合成生物學(xué)及動物行為學(xué)等手段揭示了高粱通過Tannin1基因位點差異調(diào)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(fā)物合成的分子機(jī)制來解析麻雀對高粱“挑食”的現(xiàn)象。
謝旗研究團(tuán)隊首先通過對兩個不同的自然群體同時進(jìn)行兩年三點兩重復(fù)鳥吃或不吃的表型調(diào)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(guān)鍵的基因。同時也發(fā)現(xiàn)以前推測的與鳥取食相關(guān)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(guān)性。
通過隨機(jī)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(jī)制中的靶標(biāo)代謝產(chǎn)物進(jìn)行了LC-MS測定，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了顯著的降低。標(biāo)準(zhǔn)鳥類（麻雀）行為學(xué)實驗證明其代謝產(chǎn)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(guān)系。植物能釋放出一些有香味的揮發(fā)物作為引誘劑來吸引蜜蜂等協(xié)助傳粉，或者有毒的物質(zhì)和其前體揮發(fā)物作為警戒劑來抵御天敵的捕食。在農(nóng)田中，在高粱灌漿期之前很少能看到麻雀，而在高粱灌漿期之后大量麻雀遷飛至農(nóng)田，這是否意味著灌漿期的高粱籽粒也會散發(fā)出有香味的揮發(fā)物來吸引麻雀呢？通過對高粱灌漿期的籽粒進(jìn)行了GC-MS測定發(fā)現(xiàn)有9種有芳香氣味的揮發(fā)物在不抗鳥的品種中出現(xiàn)了顯著的積累，進(jìn)一步通過麻雀行為學(xué)實驗直接證明了己醛和1-辛烯-3-醇兩種揮發(fā)物的確可以作為引誘劑來吸引麻雀取食。而這些短鏈揮發(fā)物被證明可能是通過Tannin1/Myb/bHLH轉(zhuǎn)錄復(fù)合體直接調(diào)控SbGL2基因的表達(dá)來抑制脂肪酸合成，最終通過LOX途徑降解而產(chǎn)生。
綜上，該研究揭示了Tannin1通過同時參與調(diào)控單寧合成以及脂肪酸來源的揮發(fā)物合成的分子機(jī)制來產(chǎn)生高含量的單寧和低濃度的、有香味的揮發(fā)物進(jìn)而躲避和防御麻雀以達(dá)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(shè)計開發(fā)新型綠色農(nóng)藥來防治農(nóng)業(yè)鳥害提供了全新的解決方案。
遺傳發(fā)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(fā)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(xué)教授何偉課題組也參與了該研究。該研究得到寧夏自治區(qū)科技廳育種專項、國家重點研發(fā)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(jī)制模型
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