“你看上我哪一点，我改还不行吗？”

首先声明，今天要讲的不是人类世界“求不得”的爱情故事，而是人类操纵寄生植物和宿主植物之间“相爱相杀”的故事。

有些寄生植物因为宿主植物的某些特性而“缠”上对方，如果人类能够改变这些特性，是不是就能收到“你看上我哪一点，我改还不行吗”的效果，从而阻止寄生现象的发生呢？

当然能。

中国科学院遗传与发育生物学研究所科研团队与中国农业大学、先正达集团中国以及崖州湾国家实验室等多家单位合作，首次从高粱中发现了两个与寄生有密切关系的蛋白，敲除这两个蛋白的基因后，寄生植物独脚金对高粱的寄生率显著下降。这一成果有望为寄生植物危害较为严重的地区（如部分亚洲和非洲国家）粮食安全做出重要贡献。相关研究于2025年2月13日发表于国际学术期刊《Cell》（点击文末“阅读原文”看论文）。 

图片来源：veer图库

寄生植物通常缺乏叶绿素或仅含有少量叶绿素，不进行光合作用或只进行有限的光合作用。它们无法独立生存，只能通过侵入宿主植物体内或附着在寄主植物表面吸取所需营养和水分。这种寄生关系会影响作物的正常生长，严重时甚至导致寄主死亡。

让人类头疼的寄生植物有这样几类：独脚金属，列当属和菟丝子属。

独脚金属主要寄生高粱、玉米、谷子等单子叶作物，严重制约非洲、亚洲和部分热带地区粮食生产。据Science杂志报道，独脚金与小麦秆锈病、马铃薯晚疫病、香蕉叶斑病、大豆锈病、稻瘟病以及木薯棕色条纹病毒并列为世界七大农作物危害之一。

独脚金

（图片来源：中国植物图像库，陈炳华摄）

列当属主要影响重要的蔬菜作物如番茄、马铃薯以及油料作物如向日葵等。在我国内蒙古等地区，列当对向日葵和番茄的寄生危害尤为严重，常导致减产绝收。

菟丝子属的主要宿主为大豆、番茄、辣椒以及苜蓿等。

这些寄生植物每年在全球造成经济损失高达100-120亿美元。它们都是“看上”了宿主植物一个特性——独脚金内酯（strigolactone，以下简称SL）。

SL是宿主植物产生的一种植物激素，在植物的生长发育（例如调控植物分枝）、共生关系（例如与土壤中的共生真菌建立互利关系）以及环境适应（例如响应低磷环境）等方面都发挥着关键作用。

然而，这种化合物也被独脚金等寄生植物利用。如果没有它的存在，独脚金的种子就在土壤中静静地“潜伏”着。当SL通过根系分泌后，土壤中上述三种寄生植物的种子就会感知到这一化学信号，启动萌发过程，同时判断寄主的存在和位置，从而建立寄生关系。

之前的研究发现，在营养缺乏尤其是缺磷条件下，植物会合成更多的SL以吸引共生真菌帮助吸收磷元素。这种反应也使得寄生植物更容易萌发和寄生，缺磷土壤往往是独脚金危害严重的地区。

人类对这些“吸血鬼”就没什么办法吗？

为了减少寄生植物对农业生产和生态系统的影响，人们采取了多种方法：

实行轮作制度，与非寄主植物进行轮作，可减少土壤中寄生植物种子的数量，降低其对特定作物的危害；对已经出土的寄生植物，如菟丝子、列当等，可以在其生长初期进行人工拔除；

在播种前或作物生长前期，可使用一些特定的除草剂对土壤进行处理，这些除草剂可以在土壤中形成一层药膜，杀死萌发的寄生植物幼苗；使用独脚金内酯类似物刺激独脚金种子“自杀式”萌发，有效减少独脚金的寄生。

然而，上述防治方法对独脚金这种寄生植物效果有限且成本高昂。

独脚金，拉丁名“Striga”意为女巫，因其寄生特性而在部分地区被称为“女巫草”。这个外号形象地描述了它的隐蔽性和破坏力。独脚金一次可产生约10万个种子，这些种子在土壤中可休眠超过20年，一旦感知到宿主植物释放的信号，还是会迅速萌发并侵入寄主根部。而且它的宿主范围广泛，包括了多种粮食作物，增加了防治的复杂性。因此，培育抗独脚金寄生的作物品种成为解决这一问题的关键。

到底怎么让作物能够抵抗独脚金？既然独脚金“喜欢”的是宿主植物自带的SL，那就把这一点改掉吧？

本次研究团队也是这样想的——从根源下手，抑制SL的生物合成，阻止独脚金种子萌发，同时激活补偿性信号通路维持作物的生长和产量。但是，这种方法会导致高粱发育异常。看来，SL在植物的生长发育中的重要地位暂时无法撼动。随后，团队的思路转向了SL合成后的分泌过程，如果能限制SL向根系的分泌，是否也能抑制独脚金的萌发？

此时他们遇到了第一个也是最重要的问题：在独脚金喜欢寄生的高粱等单子叶植物上，SL合成之后的分泌机制尚不清楚，到底是谁把SL散播出去“引诱”独脚金的呢？为了弄清这个机制，他们设计了颇为精妙的实验。

SL是宿主植物在细胞质中合成的，并通过一类膜蛋白运输到细胞外，分泌到根系周围。担任这一转运任务的就是ABC转运蛋白（ATP-Binding Cassette Transporters））家族，它们通过水解ATP（三磷酸腺苷）提供能量，从而驱动各种物质（如离子、糖、氨基酸、脂质和激素等）的跨膜运输。

研究人员在实验室中建立了一套水培高粱系统，模拟自然环境中各种状态对高粱的影响。高粱在磷缺乏的状态下SL的合成会增多，与此相关的基因表达会产生变化，比如与SL生物合成有关的蛋白和转运蛋白的就会增多。而在额外施加SL的状态下，受SL调控的基因表达也会产生变化。研究人员基于原创的基因挖掘技术结合大数据分析和相关分子及细胞生物学技术，通过分析几种状态下的高粱根表皮细胞中的基因表达差异，发现了两个ABC转运蛋白家族成员——SbSLT1和SbSLT2。通过在酵母、爪蟾卵母细胞以及拟南芥和高粱等植物中的功能验证实验，研究人员证实了SbSLT1和SbSLT2两个蛋白能够直接参与SL的转运。敲除编码这两个蛋白的基因后，SLs的外排受到抑制，独脚金无法正常萌发和寄生高粱。

进一步通过AI模拟预测和突变分析，研究人员发现SbSLT1和SbSLT2蛋白中的特定苯丙氨酸残基对于SL运输功能至关重要，而且该位点在所有重要作物转运通道同源蛋白中都存在。

看来，这两个关键蛋白是抵御寄生的关键，它们就像是控制独脚金寄生的“开关”，把它们“关上”，SL就无法从宿主细胞内释放到周围环境中，而独脚金的种子也感受不到让它萌发和寻找宿主的信号了。

独脚金寄生高粱的机制示意图

（图片来源：研究论文）

通过上述研究，大家很容易得出一个推论：如果没有这两个蛋白向外界分泌SL，独脚金就不能和高粱建立寄生关系。

在实验室中，这个推论得到了证实。研究人员在高粱中敲除这两个转运蛋白基因，高粱根系向根际分泌的SL果然显著减少，从而有效抑制了独角金种子的萌发和寄生，而且这种操作并不会影响SL从根部向地上部分的运输，所以不会对植物的正常生长和发育造成明显的负面影响。那么在真正的农田里，同样的操作也能让让高粱“独美”么？

在田间实验中，研究团队在独脚金高发地区进行了田间小区试验，结果表明，敲除这两个转运蛋白基因的高粱品种对独脚金的抗性显著增强，寄生率降低了67-94%，同时高粱的产量损失减少了49%-52%。

田间实验结果：左上为对照组，右上、左下、右下分别为敲除SbSLT1蛋白基因的单突变体、敲除SbSLT2蛋白基因的单突变体和同时敲除两个蛋白基因的双突变体。白色箭头指独脚金植株，红色箭头指高粱植株，黄色箭头指植物新长出的分枝。可以看到，敲除蛋白后，独脚金对高粱的寄生明显减少，并且能够降低作物产量损失，尤其是同时敲除两个基因的植株效果更为显著。（图片来源：研究论文）

这一成果为培育抗独脚金寄生的高粱品种提供了重要的基因资源和技术支持，为培育抗独角金寄生的农作物品种提供了全新的策略和靶点。通过精准调控这两个基因的表达，有望在不影响农作物产量的前提下，有效增强农作物对独角金的抗性。

在抵抗独脚金寄生的研究中，植物生长和寄生防御之间存在着微妙的平衡，SL既是植物的“生长信号”，也是寄生植物的“入侵密码”，是农业生产面临的巨大挑战。数十年来，世界各国持续不断的研究一直在寻求经济有效的策略。本次研究发现关上了寄生植物寄生宿主的“开关”，也让我们看到了利用现代生物技术手段，有效解决农业生产中难题的可能性。

未来，研究团队将在更多地区进行试验，以验证这种改造思路对其他独脚金种类的效果，进一步验证相关基因在其他重要作物中的作用并推动抗独脚金寄生作物的产业化。让我们期待一个没有“寄生”的世界吧。

撰稿：张文韬 

审核：中国科学院遗传与发育生物学研究所