本地遗传适应有助于高粱作物躲避魔草

宾州州立大学科学家领导的一项新研究显示，在农业寄生虫层生植物(也称为金缕梅)很常见的地区，高粱作物更可能具有遗传适应性，以帮助他们抵抗寄生虫。LGS1基因的变化会影响作物的某些激素，至少在某些地区，寄生虫很难在土壤中发现。但是，这些变化可能需要付出一定的代价，从而影响与光合作用相关的系统，甚至影响其生长。由国际研究人员组成的小组进行的这项新研究将于2020年2月11日在线发表在《美国国家科学院院刊》上，并可能最终为管理寄生虫的策略提供依据。

巫婆是非洲粮食安全的最大威胁之一，每年造成数十亿美元的农作物损失。它有很多寄主，包括高粱，它是世界第五大最重要的谷物作物。

宾夕法尼亚州立大学生物学助理教授，该论文的资深作者杰西·拉斯基说：“我们想知道寄生虫患病率高的地区的高粱植物是否通过LGS1 突变而在当地得到了适应。” “我们经常考虑温度，干旱或盐度等因素对农作物的局部适应。例如，如果在特别干燥的地区对植物进行局部适应以使其具有与耐旱相关的基因，我们就可以利用这些基因可以抵抗干旱。我们想知道您是否能看到这种对某种生物的局部适应，例如寄生虫。”

研究人员模拟了非洲巫婆的流行情况，并比较了被认为可以赋予高粱某些抗性的LGS1突变。他们发现这些突变在寄生虫流行率较高的地区更为常见，这表明这些地区的高粱植物可能在当地适应了这种寄生虫。

宾州州立大学博士后，该论文的第一作者，艾米丽·贝利斯说：“ LGS1突变在非洲最普遍的寄生虫中很普遍，这表明它们是有益的。” Bellis目前是阿肯色州立大学生物信息学的助理教授。“但是这些突变不是很常见，而且在寄生虫易发区域之外几乎不存在。这表明，进行这些突变可能还需要一定的成本或权衡。”

为了更好地了解LGS1突变的影响，Corteva Agriscience的研究团队成员使用CRISPR-Cas9基因编辑技术在实验室中复制了这些突变。在他们的实验中，LGS1功能的丧失确实赋予了其对魔草的抗性，因为寄生虫的发芽率很低甚至为零，这表明这些寄生虫在寻找可繁殖作物方面并不那么成功。但是从非洲不同地理位置收集的寄生虫受到不同方式的影响。

贝利斯说：“在营养丰富和营养贫乏的情况下，西非人口的寄生虫发芽被有效地关闭了，但在营养有限的情况下，我们仍然看到东非人口的发芽率高达约10%。” “这绝对是一种进步，但土壤中可能有成千上万的寄生虫，因此即使10%的发芽也可能有问题，尤其是在主要种植这些作物的小农户农场中。”

已知LGS1突变会影响高粱从其根部释放的松香内酯激素。由于寄生虫利用这些激素来发现高粱，因此改变激素会使植物对寄生虫几乎不可见。但是松香内酯对于与菌根真菌的交流也很重要，后者在植物获取营养中起着重要作用。这项新研究发现，修饰植物中LGS1功能的丧失也影响了与光合作用相关的系统，并微妙地影响了生长。

Lasky说：“可能是具有LGS1突变的植物更能躲避寄生虫，但生产力较低。” “这种潜在的权衡可能解释了整个非洲高粱中这些突变的患病率相对较低。”

研究人员还发现了其他基因中与寄生虫流行有关的几种突变，这可能反映了局部适应性。研究人员计划研究这些基因(其中一些与细胞壁增强有关)，以查看它们是否也可能赋予对寄生虫的抗性。

拉斯基说：“我们最终希望研究非洲无花果的其他重要农业寄主植物，以提出类似的问题。” “如果我们确实确实看到了对寄生虫的局部适应，并找到了能以很少的权衡取舍的抗性基因，那么我们可能能够从管理的角度利用这一点。”