寄生杂草菟丝子获取寄主特有性状的机理研究

Dodder (Cuscuta spp.) is damaging many crops (soybean, alfalfa, tomato, sugarbeet, onion, etc.)and oremantal trees on a global basis. Dodder connects the host vascular system and takes up all nutrients for its growth and reproduction. Tansgenic herbicide tolerant crops could not effectively control dodder. We have revealled that the molecuar reason behind this phenomenon is that the transgenic herbicide detoxifing enzyme is capable of interspecifical trafficking and maintains its bioligical function in dodder. In this proposal, we will furthur examine more herbidice tolerant trait moving from host to dodder. Moreover, we will explore the regulatory mechanism of interspecies protein trafficking by understanding the role of different promoters and leading peptides. This proposal will extend our current knowledge on the mechanism of interspecies protein trafficking and its biological funtion. We will also try to develop a novel dodder control method by restricting interspcies trafficking of transgenic herbicide tolerant/detoxifing enzymes.

菟丝子是全球广泛分布的恶性寄生杂草，危害包括大豆、苜蓿、西红柿、甜菜、洋葱等多种作物以及多种观赏灌木和树木。菟丝子成功寄生寄主作物后，连通寄主的维管束，源源不断的从寄主获取营养。采用转基因抗除草剂作物，也不能有效控制菟丝子。我们已经揭示了这一现象背后的分子机制是，降解除草剂的转基因酶从寄主转移到菟丝子中并保持了生物活性。在此基础上，本研究将继续深入研究寄主特有的多种不同抗除草剂性状从寄主到菟丝子的转移情况，并采用分子生物学的手段从蛋白的分子量，启动子以及导向序列等方面深入探讨调控蛋白从寄主到菟丝子移动的有关机制。本研究将拓展对蛋白质从寄主到寄生植物移动机理及其生物学功能的认识，并积极探索通过限制寄主降解除草剂转基因酶的移动来提高菟丝子防控的新方法。

菟丝子是全球广泛分布的恶性寄生杂草，危害包括大豆、苜蓿、西红柿、甜菜、洋葱等多种作物以及多种观赏灌木和树木。菟丝子成功寄生寄主作物后，连通寄主的维管束，源源不断地从寄主获取营养。因此，研究菟丝子与寄主植物之间的相互作用，对于探索新的防控方法具有重要的理论意义。本研究原计划对蛋白质从寄主到寄生植物的移动机理及其生物学功能开展研究，但是由于种种原因，推进受阻。.本课题的另一背景是植物基因编辑技术的兴起。特别是以CRISPR/Cas9为代表的基因编辑技术为在植物基因组中高效地引入精准的突变提供了革命性的工具。鉴于植物除草剂靶点基因上特定的点突变能够赋予植物高水平的除草剂抗性，因此，基因编辑技术对于创制抗除草剂作物种质方面，具有极大的应用潜力。但是，通过CRISPR/Cas9介导的同源重组的方式实现植物基因的点突变效率依然很低。2016年，David Liu课题组将胞嘧啶脱氨酶融合到Cas9基因上，从而在动物细胞中实现了C到T的高效单碱基突变；随后又利用腺嘌呤脱氨酶融合蛋白实现了A到G的精准编辑。.本课题以拟南芥为材料建立了植物单碱基编辑技术体系，成功地在拟南芥内源ALS基因上精准地引入了点突变，创制了抗除草剂种质。在T1代转基因拟南芥中，单碱基编辑的效率为1.7%；在T2代时，单碱基编辑的效率可高达30%。相关成果发表在Science China Life Sciences杂志。此项成果已经提交了专利申请，理论上能够在所有作物上的内源基因上创制单碱基突变。在此基础上，本课题组构建了针对不同作物和转化体系的单碱基编辑载体。其中，与北京市农林科学院蔬菜中心合作，本课题组的单碱基编辑工具成功创制了不含转基因成分的抗除草剂西瓜种质，文章已经发表在Plant Cell Reports杂志。此外，本课题产生了5项专利申请，其中两项成功转化。植物单碱基编辑技术为研究植物中的单碱基突变的生物学功能及培育抗除草剂作物种质提供了有力工具，具有重要的科学和应用价值。