鳥會挑食嗎?中國科學家揭曉麻雀選食不同高粱的分子機制

本網記者 姚媛

2019年9月23日,美國紐約時間11點 (北京時間23點),在 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: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,來產生高含量的單寧和低濃度的、有香味的揮發物,進而躲避和防御麻雀。相關研究成果在Cell子刊Molecular Plant在線發表。 

麻雀非常聰明機警,有較強的識別和記憶力,警惕性非常高。在作物灌漿期到成熟期,大量麻雀遷飛到農田中啄食籽粒,使籽粒破損并發霉,同時傳播各種病蟲害,造成不同程度的減產,有研究報道鳥害能使高粱減產超過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近10億美金的經費去研究如何防治鳥害。

科學家們通過大量田間觀察發現,麻雀對不同的高粱種子的啄食是有選擇性的: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。那么麻雀的“挑食”行為到底是由什么引起?解析這一問題是否能夠為防治農作物鳥害提供一個全新的視角呢?

在之前的一般認識中,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,中國科學院遺傳與發育生物學研究所植物基因組學國家重點實驗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。通過應用宏基因組學、代謝組學、合成生物學及動物行為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鳥吃或不吃的表型調查,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”呈顯著相關性。

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。

通過隨機選取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代謝產物進行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。標準鳥類(麻雀)行為學實驗證明其代謝產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系。植物能釋放出一些有香味的揮發物作為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為警戒劑來抵御天敵的捕食。在農田中,在高粱灌漿期之前很少能看到麻雀,而在高粱灌漿期之后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,進一步通過麻雀行為學實驗直接證明了己醛和1-辛烯-3-醇兩種揮發物可以作為引誘劑吸引麻雀取食。而這些短鏈揮發物被證明可能是通過Tannin1/Myb/bHLH轉錄復合體直接調控SbGL2基因的表達來抑制脂肪酸合成,最終通過LOX途徑降解而產生。

圖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寧合成以及脂肪酸來源的揮發物合成的分子機制來產生高含量的單寧和低濃度的、有香味的揮發物進而躲避和防御麻雀。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。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所的博士研究生謝鵬、史佳陽和副研究員唐三元為論文的共同第一作者,謝旗研究員和吳耀榮副研究員為共同通訊作者。同時中國科學院遺傳與發育生物學研究所的王國棟研究員,中國科學院動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。該研究得到了寧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。

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