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Molecular Plant 大揭秘:高梁如何智斗小麻雀!

       高粱是一种主要的全球谷类作物,是一种稳定的热量来源,也是饲料和生物燃料的重要来源。然而,在高粱灌浆期到成熟期,大量麻雀迁飞到农田中啄食籽粒,使籽粒破损并发霉,同时传播各种病虫害,造成不同程度的减产,有研究报道鸟害能使高粱减产超50%以上。麻雀非常聪明机警,有较强的识别和记忆力,警惕性也非常高。研究者通过大量田间观察发现,麻雀对不同的高粱种子的啄食是有选择性的。那么麻雀的“挑食”行为到底是由什么引起?解析这一问题是否能够为防治农作物鸟害提供一个全新的视角呢?在之前的一般认识中,高粱的包壳程度越高、穗型越散、有芒、种皮颜色越深、单宁含量越高越抗鸟,但是高粱自身如何抵抗鸟害的分子机制我们仍不清楚。
       
2019 年9月23日,Cell子刊Molecular Plant在线发表了中国科学院遗传与发育生物学研究所基因组学国家重点实验室谢旗老师团队最新研究成果:Control of Bird Feeding Behavior by Tannin1 through Modulating the Biosynthesis of Polyphenols and Fatty Acid-Derived Volatiles in Sorghum,揭晓麻雀选食不同高粱的分子机制。该研究通过宏基因组学、代谢组学、合成生物学及动物行为学、靶向定量检测等手段揭示了高粱通过Tannin1基因位点差异调控花青素和原花青素(Anthocyanin and PA)合成以及脂肪酸来源的香味挥发物合成的分子机制来解析麻雀对高粱“挑食”的现象。
       研究者首先对两个不同的自然群体同时进行两年三点两次重复的表型调查和鸟类行为学观测,针对鸟喜吃或不喜吃进行统计。然后结合全基因组关联分析(GWAS分析)在两个群体中同时能检测到一个单主效位点Tannin1基因 (图1),最显著的单核苷酸多态性,S4_(P=3.41e08),位于单宁1基因的唯一外显子中。Tannin1是一个控制高粱单宁合成的关键基因,是拟南芥TTG1的同源基因,编码一种WD40蛋白,会影响控制高粱花青素和原花青素的生物合成。同时也发现以前推测的与鸟取食相关性状在包壳、穗型、芒、种皮颜色和单宁含量这五个性状中,只有单宁含量这个性状与高粱抗鸟是呈极显著相关性。




图1: GWAS分析检测到Tannin1基因是影响高粱抗鸟的单主效位点。(A) 左代表鸟吃的高粱品种表型,右代表鸟不吃的高粱品种表型。(B)和(C) 两个GWAS群体检测到的单主效位点和缩合单宁含量检测到的Tannin1 位点 (D) 是共线的。(E) Tannin1的自然变异类型。 

        为了进一步验证,研究者们随机选取了6个高粱抗鸟的品种 (Bird-avoidance, Tannin1)和12个不抗鸟的品种 (Bird-preference, tan1-a/b)对单宁合成机制中的靶标代谢产物进行了分析。基于液相色谱-质谱(LC-MS)的靶向代谢谱分析结果表明,鸟类喜食材料显著减少了参与类黄酮合成的途径代谢物的积累,包括槲皮素、芦丁和山奈酚。这可能会降低鸟类口腔的收敛性,从而提高鸟类对种子的感知味觉和消化率。



  图2.花青素和原花青素生物合成途径代谢产物的鉴定及麻雀饲养试验
(A)在6个避鸟高粱种和12个鸟类偏好高粱种中,检测了花色苷和原花青素生物合成途径的15种代谢物;
(B和C)用不同的次生代谢物处理后剩余种子重量的推论统计评估。
(D和E)使用不同浓度(高或低,参见浓度)处理的种子进行麻雀饲养实验。


       为了探讨高粱中的挥发性成分是否与鸟类吸引有关,研究者使用气相色谱-质谱法(GC-MS)测定灌浆期种子中的短链挥发性成分。在23种检测到的挥发性有机化合物中,有9种在鸟类偏好性材料中的含量明显高于鸟类喜食性材料,其中一些FA衍生挥发物的含量增加了30倍。进一步通过麻雀行为学实验证直接证明了己醛和1-辛烯-3-醇两种挥发物的确可以作为引诱剂来吸引麻雀取食。而这些短链挥发物被证明可能是通过Tannin1/Myb/bHLH转录复合体直接调控SbGL2基因的表达来抑制脂肪酸合成,最终通过LOX途径降解而产生。这可以说明鸟类偏好高粱材料的挥发性物质含量显著增加,可能起到吸引鸟类的信息化学作用特别吸引鸟类接近,从而解释了我们基于大规模野外种质多样性定量遗传学研究观察到的行为差异。


图3.与鸟类喂食和麻雀行为分析有关的挥发性成分的鉴定。
(A)在六种避免禽类和12种禽类偏好的高粱成分中测量了23种不同种类的挥发物,与用于花色苷和PA代谢分析的挥发物相同。
(B和C)使用放置在实验笼中并经种子处理过的种子评估鸟类每分钟的平均停留时间,1-辛烯-3-醇或己醛(或乙醇对照)。
(D)Tan1和tan1-a / b品种之间亚麻酸测量值的比较。 为了比较避免禽类和喜欢禽类高粱样品中的相对亚麻酸含量,将避免禽类加入量计算出的平均值设为1.0。



图4. Tannin1参与高粱抗鸟的分子机制模型

       综上,该研究揭示了Tannin1通过同时参与调控单宁合成以及脂肪酸来源的挥发物合成的分子机制来产生高含量的单宁和低浓度的、有香味的挥发物进而躲避和防御麻雀以达到抗鸟的目的。此研究既为培育高粱抗鸟新品种提供了重要的基因资源,同时也为利用单宁设计开发新型绿色农药来防治农业鸟害提供了全新的解决方案。
       中国科学院遗传与发育生物学研究所的博士研究生谢鹏、史佳阳和副研究员唐三元为论文的共同第一作者,谢旗研究员和吴耀荣副研究员为共同通讯作者。
三黍生物有幸参与项目,提供了部分单宁总含量靶向检测结果。
原文链接:
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30287-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1674205219302874%3Fshowall%3Dtrue