高粱是一種主要的全球谷類作物，是一種穩(wěn)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(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(fā)現(xiàn)，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(nóng)作物鳥害提供一個全新的視角呢？在之前的一般認(rèn)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?nèi)圆磺宄?br/>2019 年9月23日，Cell子刊Molecular Plant在線發(fā)表了中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所基因組學(xué)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(xué)、代謝組學(xué)、合成生物學(xué)及動物行為學(xué)、靶向定量檢測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。
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(fù)的表型調(diào)查和鳥類行為學(xué)觀測，針對鳥喜吃或不喜吃進行統(tǒng)計。然后結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)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(tài)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(guān)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(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。

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(biāo)代謝產(chǎn)物進行了分析。基于液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）的靶向代謝譜分析結(jié)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(chǎn)物的鑒定及麻雀飼養(yǎng)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(tǒng)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(yǎng)實驗。

 為了探討高粱中的揮發(fā)性成分是否與鳥類吸引有關(guān)，研究者使用氣相色譜-質(zhì)譜法（GC-MS）測定灌漿期種子中的短鏈揮發(fā)性成分。在23種檢測到的揮發(fā)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(fā)物的含量增加了30倍。進一步通過麻雀行為學(xué)實驗證直接證明了己醛和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。這可以說明鳥類偏好高粱材料的揮發(fā)性物質(zhì)含量顯著增加，可能起到吸引鳥類的信息化學(xué)作用特別吸引鳥類接近，從而解釋了我們基于大規(guī)模野外種質(zhì)多樣性定量遺傳學(xué)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(guān)的揮發(fā)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(fā)物，與用于花色苷和PA代謝分析的揮發(fā)物相同。
（B和C）使用放置在實驗籠中并經(jīng)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(shè)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(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。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)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(jié)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