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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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遺傳發(fā)育所等揭曉麻雀選食不同高粱的分子機制

2019-09-24 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所

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　　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。麻雀非常聰明機警，有較強的識別和記憶力，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)物合成的分子機制來解析麻雀對高粱“挑食”的現(xiàn)象。

　　謝旗研究團隊首先通過對兩個不同的自然群體同時進行兩年三點兩重復(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)對單寧合成機制中的靶標(biāo)代謝產(chǎn)物進行了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)物進而躲避和防御麻雀以達到抗鳥的目的。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。該研究得到寧夏回族自治區(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制模型

　　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。麻雀非常聰明機警，有較強的識別和記憶力，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)物合成的分子機制來解析麻雀對高粱“挑食”的現(xiàn)象。
　　謝旗研究團隊首先通過對兩個不同的自然群體同時進行兩年三點兩重復(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)對單寧合成機制中的靶標(biāo)代謝產(chǎn)物進行了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)物進而躲避和防御麻雀以達到抗鳥的目的。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。該研究得到寧夏回族自治區(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制模型
　　

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