高粱是一種主要的全球谷類作物，是一種穩定的熱量來源，也是飼料和生物燃料的重要來源。然而，在高粱灌漿期到成熟期，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50%以上。麻雀非常聰明機警，有較強的識別和記憶力，警惕性也非常高。研究者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。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，但是高粱自身如何抵抗鳥害的分子機制我們仍不清楚。
2019 年9月23日，Cell子刊Molecular Plant在線發表了中國科學院遺傳與發育生物學研究所基因組學國家重點實驗室謝旗老師團隊最新研究成果：Control of Bird Feeding Behavior by Tannin1 through Modulating the Biosynthesis of Polyphenols and Fatty Acid-Derived Volatiles in Sorghum，揭曉麻雀選食不同高粱的分子機制。該研究通過宏基因組學、代謝組學、合成生物學及動物行為學、靶向定量檢測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。
研究者首先對兩個不同的自然群體同時進行兩年三點兩次重復的表型調查和鳥類行為學觀測，針對鳥喜吃或不喜吃進行統計。然后結合全基因組關聯分析（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)，最顯著的單核苷酸多態性，S4_（P=3.41e08），位于單寧1基因的唯一外顯子中。Tannin1是一個控制高粱單寧合成的關鍵基因，是擬南芥TTG1的同源基因，編碼一種WD40蛋白，會影響控制高粱花青素和原花青素的生物合成。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是呈極顯著相關性。

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。
為了進一步驗證，研究者們隨機選取了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代謝產物進行了分析。基于液相色譜-質譜（LC-MS）的靶向代謝譜分析結果表明，鳥類喜食材料顯著減少了參與類黃酮合成的途徑代謝物的積累，包括槲皮素、蘆丁和山奈酚。這可能會降低鳥類口腔的收斂性，從而提高鳥類對種子的感知味覺和消化率。

 圖2.花青素和原花青素生物合成途徑代謝產物的鑒定及麻雀飼養試驗
（A）在6個避鳥高粱種和12個鳥類偏好高粱種中，檢測了花色苷和原花青素生物合成途徑的15種代謝物；
（B和C）用不同的次生代謝物處理后剩余種子重量的推論統計評估。
（D和E）使用不同濃度（高或低，參見濃度）處理的種子進行麻雀飼養實驗。

 為了探討高粱中的揮發性成分是否與鳥類吸引有關，研究者使用氣相色譜-質譜法（GC-MS）測定灌漿期種子中的短鏈揮發性成分。在23種檢測到的揮發性有機化合物中，有9種在鳥類偏好性材料中的含量明顯高于鳥類喜食性材料，其中一些FA衍生揮發物的含量增加了30倍。進一步通過麻雀行為學實驗證直接證明了己醛和1-辛烯-3-醇兩種揮發物的確可以作為引誘劑來吸引麻雀取食。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。這可以說明鳥類偏好高粱材料的揮發性物質含量顯著增加，可能起到吸引鳥類的信息化學作用特別吸引鳥類接近，從而解釋了我們基于大規模野外種質多樣性定量遺傳學研究觀察到的行為差異。

圖3.與鳥類喂食和麻雀行為分析有關的揮發性成分的鑒定。
（A）在六種避免禽類和12種禽類偏好的高粱成分中測量了23種不同種類的揮發物，與用于花色苷和PA代謝分析的揮發物相同。
（B和C）使用放置在實驗籠中并經種子處理過的種子評估鳥類每分鐘的平均停留時間，1-辛烯-3-醇或己醛（或乙醇對照）。
（D）Tan1和tan1-a / b品種之間亞麻酸測量值的比較。 為了比較避免禽類和喜歡禽類高粱樣品中的相對亞麻酸含量，將避免禽類加入量計算出的平均值設為1.0。

圖4. 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。
三黍生物有幸參與項目，提供了部分單寧總含量靶向檢測結果。
原文鏈接：
https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30287-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1674205219302874%3Fshowall%3Dtrue