SlABCG45 介导番茄对列当的抗性并平衡产量

本文发现 SlABCG45 基因可调控番茄对列当（Phelipanche aegyptiaca）抗性且不影响产量，为抗寄生杂草育种提供新策略。

　　### 寄生杂草危害与研究背景
列当科（Orobanchaceae）的专性根寄生植物，如独脚金（Striga）、列当属（Orobanche）和小列当属（Phelipanche）等，严重威胁全球农作物生产。这些寄生植物会从宿主吸收糖、水和养分，导致宿主发育不良、枯萎，造成巨大的产量损失。据估计，寄生性列当科杂草每年侵染超过 6000 万公顷农田，带来数十亿美元的经济损失 。在欧洲、亚洲和中东地区，列当（Orobanche和Phelipanche spp.）严重影响向日葵、番茄、烟草、马铃薯和鹰嘴豆等经济作物的产量、品质和抗逆性。例如，列当感染番茄后，会使番茄果实产量和品质大幅下降，在重度侵染的田地中，作物损失可达 80%。

目前，田间控制寄生杂草面临诸多挑战。人工除草耗时费力，且会损害作物生长；针对寄生杂草的除草剂效果不佳，难以大规模应用。因此，培育抗寄生作物品种至关重要。虽然已报道了一些抗性基因，如Or1 - Or7、RSG - 301等，但现有宿主植物抗性易被列当和独脚金种群克服，所以寻找能赋予作物持久抗性的基因迫在眉睫。

Strigolactones（SLs）是一类由类胡萝卜素衍生的植物激素，近 60 年前被发现可作为列当科寄生植物的萌发刺激剂。同时，宿主植物产生并释放 SLs，用于吸引丛枝菌根（AM）真菌，增强对土壤无机养分的吸收。然而，寄生植物进化出了高度敏感的 SL 受体，利用这些信号分子识别宿主并促进种子萌发。此外，SLs 还参与植物的多种发育过程，如调控谷类作物的分枝或分蘖。研究发现，SL 合成缺陷的作物对寄生植物具有抗性，如高粱的LOW GERMINATION STIMULATION 1（LGS1）突变体、玉米 SL 生物合成酶活性降低的突变体以及番茄的SlCYP722C敲除突变体等，但这些突变体往往伴随着一些不良表型 。

从根部向根际分泌 SLs，对宿主植物与 AM 真菌的相互作用以及列当科植物的寄生至关重要。矮牵牛的 ATP 结合盒（ABC）转运蛋白 PDR1 是首个被鉴定的 SL 转运蛋白，其突变体存在 SL 分泌缺陷、共生相互作用受损、列当萌发率降低和过度分枝等表型。在番茄中，破坏两个PDR1同源基因SlABCG44和SlABCG45，可显著降低根际 SL 水平，提高对埃及列当（Phelipanche aegyptiaca）感染的抗性，但 SL 转运蛋白的内源性底物以及其对列当侵染田地中作物产量提升的贡献，仍有待进一步研究。

材料与方法

1. 植物材料与生长条件：选用 152 份番茄种质进行全基因组关联研究（GWAS），并描述了其来源和作为野生型的不同用途。详细说明了番茄种子、列当种子、拟南芥种子的处理及培养条件，包括表面消毒、萌发、移植等过程，以及不同实验所需的生长环境设置。
2. 菌根真菌接种与列当感染实验：介绍了 30 天龄番茄幼苗接种菌根真菌的方法，以及 20 天龄番茄幼苗进行列当感染实验的操作流程，包括种子预处理、种植基质、浇水施肥以及后期计数等环节。
3. GWAS 分析：152 份番茄种质在受埃及列当侵染的田间采用随机区组设计种植，测量多个地块中出土列当的数量。下载参考基因组序列和注释文件，对原始测序数据进行处理，使用特定方法进行序列比对和单核苷酸多态性（SNP）筛选，采用混合线性模型进行关联分析，构建相关矩阵并确定显著性阈值，最终生成曼哈顿图展示结果。
4. 其他实验方法：包括 RNA 提取、实时定量 PCR（qPCR）、RNA 测序分析、组织化学染色、共聚焦激光扫描显微镜观察、非洲爪蟾卵母细胞系统的外排转运实验、植物水培培养及 SL 提取、液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）分析、列当种子萌发实验、荧光素酶活性测定、重组蛋白纯化及电泳迁移率变动分析、向上 GR24^4DO转运实验、系统发育树构建、质粒构建及转基因植物生成等，详细说明了各实验的具体操作步骤和相关参数设置。

研究结果

1. SlABCG45 与番茄对埃及列当的抗性相关：种植 152 份番茄种质，通过 GWAS 在 8 号染色体上鉴定出与埃及列当抗性相关的主要峰值，其相关 SNP 与出土埃及列当的平均数量密切相关。对峰值区域进行分析，发现 21 个候选基因，其中Solyc08g067620（编码 SlABCG45）在磷缺乏时上调幅度最大，因此被认为是与番茄埃及列当抗性变异相关的强候选基因。
2. SlABCG45 和 SlABCG44 作为 SL 转运蛋白的功能：Solyc08g067620编码 SlABCG45，Solyc08g067610编码其同源蛋白 SlABCG44，二者主要在根组织表达，且定位于质膜。通过非洲爪蟾卵母细胞系统实验表明，SlABCG45 和 SlABCG44 能够促进活性 SLs 的外排，对不同的 SL 类似物具有底物特异性。生成的敲除突变体显示，SlABCG45 和 SlABCG44 对番茄根中内源性 SLs 的分泌至关重要，其突变会导致根际 SL 水平大幅降低，列当种子萌发率显著下降，并且这些 SL 转运蛋白受底物的正反馈调节。
3. SlABCG45 和 SlABCG44 部分介导 SL 从根到茎的运输：研究发现，SlABCG45 和 SlABCG44 参与番茄中 SL 从根到茎的运输，突变体植株的分枝数增加，且根到茎的 GR24^4DO运输受损。与 SL 生物合成基因敲除突变体不同，SlABCG45 单突变体在果实大小和产量上与野生型相似，表明该突变对无列当侵染田地中的番茄产量影响较小。
4. 磷缺乏通过 SlNSP1 和 SlNSP2 诱导 SlABCG45 和 SlABCG44 的转录：磷缺乏会增强 SL 生物合成和分泌，导致列当寄生更严重。研究发现，磷缺乏通过 GRAS 家族转录因子 SlNSP1 和 SlNSP2 诱导SlABCG45和SlABCG44的表达。SlNSP1 对SlABCG45和SlABCG44启动子具有较强的结合和转录激活活性，而 SlNSP2 作用较弱。基因研究表明，SlNSP1 和 SlNSP2 对磷缺乏条件下 SL 生物合成和分泌的诱导至关重要。
5. SlABCG45 突变赋予番茄对不同接种密度列当的抗性：通过盆栽实验发现，SlABCG45、SlABCG44 单突变体和双突变体对埃及列当的寄生数量显著低于野生型。在不同接种密度实验中，SlABCG45 突变体对埃及列当的抗性稳定，且对其他列当物种（如O. cumana race E）也具有抗性，表明敲除SlAGCG45可赋予番茄持久和广谱的列当抗性。
6. 敲除 SlABCG45 增加列当抗性并提高侵染田地中的番茄产量：在新疆进行的田间实验表明，敲除SlABCG45显著减少了埃及列当的寄生数量和鲜重，提高了番茄的产量。与野生型相比，Slabcg45突变体的果实数量和重量增加，而 SL 生物合成基因敲除突变体Slccd8则表现出产量降低和多种不良表型。此外，Slabcg45突变体与 AM 真菌的共生能力较强。

研究讨论

1. SlABCG45 突变赋予番茄持久的寄生虫抗性：寄生植物对宿主产生的 SLs 的感知是成功寄生的前提，寄生虫在进化过程中不断适应，导致一些商业抗性杂交种对毒性增强的列当小种敏感。研究发现，列当科植物的 SL 受体家族显著扩张，而合理操纵 SL 转运蛋白，如突变SlABCG45，有望为番茄建立持久和广谱的列当抗性。
2. 操纵 SlABCG45 促进列当抗性与番茄产量的平衡：解决宿主列当抗性与高产之间的权衡是一个挑战，完全破坏 SL 生物合成会对宿主植物产生不良多效性。而调节 SL 生物合成或运输是一种更有前景的方法，如番茄SlCCD8 - RNAi lines 和水稻部分功能缺失等位基因的研究所示。本研究中，突变SlABCG45显著降低了列当感染，对番茄的地上部结构和 AM 共生影响较小，在抗性和生长之间实现了平衡。其原因可能包括SlABCG45对磷缺乏的响应、SlABCG44的补偿作用以及 SLs 在运输和功能上的特点等。这一发现为通过基因组编辑培育抗列当和独脚金的作物提供了策略。

研究结论

研究表明，SlABCG45及其同源基因SlABCG44调节番茄对埃及列当的抗性，系统地揭示了它们在 SLs 运输中的作用，以及磷缺乏条件下调节 SL 分泌的分子网络。操纵SlABCG45可在提高埃及列当抗性的同时，促进植物发育，提高侵染田地中的番茄产量。这为全球范围内控制寄生杂草提供了一种高效的育种策略。

数据与代码可用性

RNA - seq 数据已存入 Gene Expression Omnibus，登录号为 GEO: GSE284240。材料和试剂可向相应作者合理索取。