釋放出獨角金內酯，向水稻根伸出根的松蒿

背景

寄生植物是寄生于其他植物(宿主植物)，剝奪營養(yǎng)和水而生存的植物。 如果寄生在作物上，會大幅減少產量。 特別是，獨角金和列當等列當科的根寄生植物寄生在世界各地的主要谷物上，每年造成數(shù)十億美元農業(yè)損失，這是食品安全保障上的威脅。 在日本，寄生于豆科植物等的小列當的生存區(qū)域也在擴大，其對農業(yè)的影響令人擔憂。 但是，尚未確立對這些寄生植物的有效防治措施。 為了找到應對這種威脅的對策，從分子水平上理解寄生機制也很重要。 寄生植物寄生在宿主中包括以下幾個步驟:①在宿主附近發(fā)芽；②使自身的根接近宿主；③入侵宿主。 其中，已經明確了①是識別宿主釋放的獨角金內酯( SL )等物質，③是識別宿主來源的乙烯和醌等物質來進行的，但關于②的彎曲性現(xiàn)象，尚未進行分析。

研究方法和成果

國際聯(lián)合研究小組著眼于列當科寄生植物松蒿。 松蒿在沒有宿主的情況下也能生存，即使沒有SL也能發(fā)芽。 盡管如此，在松蒿的基因組上存在多個識別SL的候選受體[7]，其作用尚不清楚。 因此，我們提出了松蒿將SL用于彎曲性的假說，并進行了寄生實驗。 結果發(fā)現(xiàn)，與不釋放SL的水稻相比，松蒿更傾向于向釋放的水稻生根。 并且，確立了評價對化合物的屈服性的實驗體系，明確了松蒿對SL及其類似化合物顯示出屈服性(圖1 )。

圖1對SL類似化合物顯示出彎曲性的松蒿

將SL的類似化合物(左側)和DMSO (右側:溶劑控制)排列后，為了朝向SL類似化合物而改變了根的伸長方向。

一方面，在同屬列當科寄生植物的獨角金中也發(fā)現(xiàn)了對SL的抗性，另一方面，在同屬列當科但不具有寄生能力的林登貝吉亞植物和十字花科的擬南芥等非寄生植物中沒有發(fā)現(xiàn)，這表明這是列當科寄生植物獨自制定的戰(zhàn)略 。另外，與SL相同，對于具有內酯(環(huán)狀酯)結構的化合物OH和OH，OH和OH都沒有顯示出彎曲性，表明OH和OH對SL顯示出特異性彎曲性。 眾所周知，植物激素生長素與重力性等植物的屈曲性有關。 因此，在觀察松蒿根中的生長素響應和生長素運輸時，發(fā)現(xiàn)SL處理會引起左右不對稱的生長素運輸，導致左右不對稱的生長素響應會引起彎曲性(圖2左)。 另外，這種左右不對稱的生長素響應，進而對SL的彎曲性，被銨離子所抑制(圖2右)。

圖2在不存在銨離子情況下顯示左右不對稱的生長素響應的松蒿

將響應生長素應答而顯示熒光的基因導入到松蒿中，觀察了熒光。 向松蒿左側滴加SL，觀察其對生長素應答的影響。 在沒有銨離子的條件(左)下，SL處理顯示左右不對稱的生長素響應(左下圓內)，但在銨離子存在下(右)消失。 光柵尺表示100微米( μm，1μm為千分之一mm )。 另外，使識別SL的7個候選受體分別在擬南芥植物體內表達并分析其功能時，發(fā)現(xiàn)至少有兩個受體作為識別外部SL的受體發(fā)揮作用。 抑制了這個受體的功能，結果抑制了對SL的彎曲性。 以上結果揭示了列當科寄生植物中SL介導的宿主彎曲機制。

今後の期待

此次，證實了列當科的寄生植物識別并接近宿主的SL。 寄主抗彎性是寄生植物成功寄生的重要步驟，此次研究有望為今后研究寄生植物抗彎性奠定重要基礎。 另外，這將有助于開發(fā)高效抑制彎曲性、阻礙宿主寄生的方法，有望為消除寄生植物對農業(yè)的損害做出貢獻。 此次研究成果有望為聯(lián)合國2016年發(fā)行的17個“可持續(xù)發(fā)展目標( SDGs ) [8]”中的“2 .杜絕饑餓”、“3 .為所有人健康和福利”以及“15 .也保護陸地的富?！弊龀鲐暙I。

補充說明

• 1 .根寄生植物 與其他植物(宿主)自身連接，奪取營養(yǎng)和水而生存的植物(寄生植物)中，寄生于宿主根的植物。 2 .屈曲性 生物對外界刺激作出反應使器官生長或旋轉的現(xiàn)象。 包括對重力反應的重力屈曲性、對光反應的光屈曲性、對特定物質反應的化學屈曲性、對宿主反應的宿主屈曲性等。 3 . 松蒿

• 學名Phtheirospermum japonicum。 為生存不一定需要宿主的列當科條件性寄生植物，日本原生。 在實驗室環(huán)境下無宿主也能萌發(fā)、生長，基因組已被破譯，適合作為模型寄生植物。 4 .獨角金內酯( SL ) 植物產生的低分子化合物，具有內酯結構。 釋放到土壤中后，會誘導與植物共生的共生菌。 另一方面，寄生植物的撞針等劫持SL信號，用于自身的寄生。 SL是不穩(wěn)定的化合物，在土壤中容易分解，而且死了的植物不釋放SL，所以SL的存在成為“活植物在附近”的指標。 SL是strigolactone的縮寫。 5 .植物激素 植物制造，微量且引起生理反應的物質。 參與生長和防御反應等各種生理作用的調控。 生長素、細胞分裂素、乙烯等。 6 .銨離子 化學式NH4+。 對于植物來說是重要的氮源，但過剩的銨離子也會有毒。 7 .受體 接收激素等信號分子，傳遞信息的蛋白質。 8 .可持續(xù)發(fā)展目標( SDGs ) 2015年9月聯(lián)合國峰會通過的《可持續(xù)發(fā)展2030議程》所載2016-2030年國際目標。 由為了實現(xiàn)可持續(xù)世界的17個終點、169個目標構成，不僅是發(fā)展中國家，還是發(fā)達國家自身致力于的通用(普遍)的東西，日本也在積極地努力(從外務省主頁進行了一部分改變后轉載)。

國際聯(lián)合研究組

本研究基于日本學術振興會( JSPS )科學研究費資助事業(yè)基礎研究( s )“植物與病原體攻防中的分子機制(研究代表者:白須賢)”，同基礎研究( a )“浮萍中的植物-病原體相互作用(研究代表者:白須賢)”， 同基礎研究( b )“負責寄生植物寄生器官誘導的新蛋白質的功能闡明(研究代表人:吉田聰子，研究分擔人:白須賢)”、 該學術變革領域研究( a )“支持植物對不均勻環(huán)境變動的注冊的多層信息管理的分子機構(研究領域代表者:松下智直)”的“響應不均勻土壤環(huán)境的寄生植物的感染管理機構(研究代表者:吉田聰子，研究分擔者:白須賢)”、 該青年研究“elucidating regulatory mechanism of haustorium number using a model parasitic plant system (研究代表者: ツイ?スンクイ )”、 該特別研究員獎勵費“寄生植物-宿主間和植物-菌根菌間他人識別的分子機制(研究代表者:小川哲史)”、科學技術振興機構( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造·研究推進事業(yè)的先驅“通過異種植物間網絡解析來理解植物間相互作用(研究代表者:吉田聰子)”的支持下進行。

原論文信息

• Satoshi Ogawa, Songkui Cui, Alexandra R.F. White, David C. Nelson, Satoko Yoshida, Ken Shirasu, "Strigolactones are chemoattractants for host tropism in Orobanchaceae parasitic plants", Nature Communications, 10.1038/s41467-022-32314-z

主講人

理化研究所 環(huán)境資源科學研究中心植物免疫研究組 訪問研究員小川哲史 (日本學術振興會特別研究員PD ) 集團總監(jiān)白須賢 (環(huán)境資源科學研究中心副中心主任)

  奈良尖端科學技術大學院大學尖端科學技術研究科生物科學領域 教授吉田聰子

 助教ツイ?スンクイ

小川 哲史

白須 賢

吉田 聡子

ツイ?スンクイ