甘蔗是全球最重要的糖料和能源作物之一，其生產(chǎn)卻面臨著嚴(yán)峻的生物脅迫挑戰(zhàn)。你知道嗎？每年因?yàn)椴≡秃οx的侵襲，甘蔗產(chǎn)量損失多達(dá)20%（參考文獻(xiàn)[1]）！這一數(shù)字不僅意味著種植者承受著慘重的經(jīng)濟(jì)損失，更可能引發(fā)全球糖業(yè)市場(chǎng)的連鎖反應(yīng)，糖價(jià)波動(dòng)，最終影響終端消費(fèi)者的切身利益。

甘蔗黑穗病

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

面對(duì)這些病害，甘蔗自身有沒有辦法抵抗呢？其實(shí)，植物和人類一樣，也有自己的“免疫系統(tǒng)”。其中，NLR基因就像是甘蔗體內(nèi)的“特種部隊(duì)”，專門負(fù)責(zé)識(shí)別和抵抗入侵的病菌。它們屬于植物免疫系統(tǒng)的核心組成部分，可分為TIR-NLR（TNL）和CC-NLR（CNL）等亞類。不過，有研究揭示，在單子葉植物（被子植物的一大類，其種子僅含一片子葉）中TNL在進(jìn)化過程中丟失，甘蔗也屬于這類植物。

NLR基因編碼的蛋白質(zhì)能精準(zhǔn)探測(cè)到病菌的攻擊，并快速啟動(dòng)防御反應(yīng)，就像植物界的“雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)”。但問題是——甘蔗的基因組極其復(fù)雜（多倍體且染色體數(shù)目龐大），這些基因一直很難被精準(zhǔn)定位。這就導(dǎo)致甘蔗的抗病機(jī)制難以破解，育種專家就像在沒有地圖的情況下尋找一把鑰匙，既不知道鑰匙在哪，也不知道它長什么樣，抗病品種選育效率極低。

NLR基因識(shí)別和抵抗入侵病菌示意圖

（圖片來源：作者）

最近，我們團(tuán)隊(duì)（中國科學(xué)院微生物研究所林嘯研究團(tuán)隊(duì)）開發(fā)了一個(gè)新工具DaapNLRSeek，專門用于精準(zhǔn)預(yù)測(cè)甘蔗中的NLR類抗病基因。該工具利用甘蔗近緣的二倍體植物高粱和蔗茅的基因數(shù)據(jù)作為參考，結(jié)合多種工具，在多倍體甘蔗基因組中更準(zhǔn)確地識(shí)別和注釋抗病基因（參考文獻(xiàn)[3]）。該研究不僅為甘蔗抗病育種提供了重要基礎(chǔ)，也為其他多倍體植物的NLR基因預(yù)測(cè)提供了參考。

參考“近親”，開發(fā)新工具定位甘蔗NLR基因

在開發(fā)新工具之前，尋找甘蔗的抗病基因面臨重重困難，這主要是由兩個(gè)原因?qū)е碌模?/p>

1.基因組太復(fù)雜

常見的農(nóng)作物比如水稻、高粱的基因組為二倍體，共20條染色體，但甘蔗不一樣。以甘蔗栽培種R570為例，其染色體數(shù)目高達(dá)114條！且呈現(xiàn)非整倍體特征，即不同染色體的拷貝數(shù)參差不齊——有的染色體可能有8個(gè)拷貝，有的卻只有6個(gè)或7個(gè)。這種情況就像要在一座藏書數(shù)百萬冊(cè)的超級(jí)圖書館里，尋找一本沒有編號(hào)的特殊書籍。更棘手的是，這本書不僅存在多個(gè)相似版本（同源基因），而且每個(gè)版本的章節(jié)順序還略有不同（等位基因變異），甚至有些頁面還是殘缺不全的（基因組組裝空白區(qū)）。

（圖片來源：作者使用AI生成）

2.抗病基因會(huì)“變裝”

NLR基因家族在進(jìn)化過程中經(jīng)常復(fù)制、重組，導(dǎo)致它們的序列千變?nèi)f化，用普通方法很難準(zhǔn)確識(shí)別。通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

一種是種特異性擴(kuò)張。例如，甘蔗的NLR基因數(shù)量（R570大約有3528個(gè)）遠(yuǎn)超高粱（Btx623約334個(gè)），部分基因簇經(jīng)過復(fù)制形成“抗病基因簇”。

另一種則是假基因干擾。多倍化導(dǎo)致部分NLR基因拷貝功能喪失（如缺失關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域），但這些非功能性序列仍在基因組中留存，顯著增加了基因注釋的復(fù)雜性和難度。

鑒于甘蔗的基因組太復(fù)雜，如品種XTT22的NLR基因數(shù)量高達(dá)5827個(gè)，傳統(tǒng)人工注釋方法面臨巨大挑戰(zhàn)。于是，我們換了個(gè)思路——找甘蔗的“親戚”幫忙！甘蔗的近親高粱和蔗茅的基因組相對(duì)簡單，它們的NLR基因和甘蔗很相似。于是，我們團(tuán)隊(duì)先在高粱和蔗茅中精準(zhǔn)定位NLR基因，再用這些信息去甘蔗基因組里“搜捕”類似的基因。

我們開發(fā)的DaapNLRSeek結(jié)合了多種工具，以高粱和蔗茅的NLR基因?yàn)閰⒖迹ㄟ^檢索、注釋和結(jié)構(gòu)域驗(yàn)證這三步來精準(zhǔn)定位和注釋甘蔗中的NLR基因。

（圖片來源：作者使用AI生成）

研究發(fā)現(xiàn)：找出大量抗病基因

借助DaapNLRSeek，我們?cè)趯ふ腋收峥共』蚍矫娅@得了一定成就：

1．找到2萬多個(gè)抗病基因

在5個(gè)甘蔗品種中，我們的研究預(yù)測(cè)出了20904個(gè)NLR基因，比傳統(tǒng)方法多出了7%-48%！

2.“配對(duì)NLR基因”圖像：“感應(yīng)器+開關(guān)”

研究還發(fā)現(xiàn)了兩對(duì)“配對(duì)NLR基因”（G9-1/G9-2、G14-1/G14-2），它們就像“搭檔”一樣工作，通常由一個(gè)“傳感器”（負(fù)責(zé)識(shí)別病原體）和一個(gè)“執(zhí)行器”（負(fù)責(zé)激活免疫反應(yīng)）組成，通過蛋白互作實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，G9-2和G14-1攜帶的蛋白激酶結(jié)構(gòu)域?yàn)椴≡R(shí)別提供了天然的改造靶點(diǎn)。

這類“配對(duì)NLR基因”在水稻中也曾被報(bào)道——RGA4和RGA5基因?qū)?。其中，RGA4負(fù)責(zé)“拉警報(bào)”，通過觸發(fā)植物細(xì)胞死亡來啟動(dòng)防御反應(yīng)；RGA5則像“識(shí)別器”，既能作為病原體的受體，又能抑制RGA4引起的植物過度免疫反應(yīng)，從而維持植物免疫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡。

3.抗病基因的“遠(yuǎn)古擴(kuò)張”

研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗的NLR基因家族早在高粱和蔗茅分化時(shí)就已發(fā)生大規(guī)模擴(kuò)張，比甘蔗自身發(fā)生復(fù)雜多倍體化事件的時(shí)間還早。

助力甘蔗抗病育種，推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展

1．減少對(duì)農(nóng)藥的依賴，保護(hù)環(huán)境

借助該工具幫助科學(xué)家找到甘蔗中的抗病基因，輔助抗病品種的培育，減少對(duì)農(nóng)藥的依賴。

2.“配對(duì)NLR基因”可作為工程化改造的載體

通過結(jié)構(gòu)域替換或特異性改造，“配對(duì)NLR基因”可被設(shè)計(jì)為能夠識(shí)別不同病原體的新型抗病系統(tǒng)。

3.推廣到其他作物

這一方法不僅適用于甘蔗抗病育種，還能為小麥、馬鈴薯等多倍體作物的抗病基因挖掘提供新思路，從而為保障全球糧食安全作出重要貢獻(xiàn)。

甘蔗病害防治面臨重大挑戰(zhàn)，但是隨著測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展及其成本的不斷降低，近年來逐漸有高質(zhì)量甘蔗染色體水平的基因組被拼裝。基于這些數(shù)據(jù)，我們便可在基因?qū)用嫔涎芯扛收岬倪M(jìn)化及其關(guān)鍵農(nóng)藝性狀的遺傳機(jī)制。這項(xiàng)研究便是在已有的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)出新的工具，挖掘出了甘蔗基因組中隱藏的信息。

這一成果不僅深化了我們對(duì)植物免疫系統(tǒng)的認(rèn)知，更為未來的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了新方向、新路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]Muhammad Aslam Rajput et al. “Sugarcane Smut: Current Knowledge and the Way Forward for Management” Journal of Fungi (Basel, Switzerland) 7, no. 12 (2021): 1095.

[2]Bhuiyan, Shamsul A., et al. “Sugarcane smut, caused by Sporisorium scitamineum, a major disease of sugarcane: a contemporary review.”Phytopathology?111.11 (2021): 1905-1917.

[3]Huang, Yiting, Yingfeng Luo, and Xiao Lin. “DaapNLRSeek, prediction and evolution of resistance genes in polyploid sugarcane genomes.”iScience(2025).

出品：科普中國

作者：黃依婷（中國科學(xué)院微生物研究所）

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