商業(yè)
賽季初竟然勘察出4詞條軒轅甲？搞一把實(shí)驗(yàn)基地！
導(dǎo)致它們的序列千變?nèi)f化，
楊亮
4小時(shí)前
{科學(xué)家破}解：甘蔗抗病基因定；位難題
2025-07-31 10:45:21
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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?，通過檢索、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?；谶@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]MuhammadAslamRajputetal.“SugarcaneSmut:CurrentKnowledgeandtheWayForwardforManagement”JournalofFungi(Basel,Switzerland)7,no.12(2021):1095.
[2]Bhuiyan,ShamsulA.,etal.“Sugarcanesmut,causedbySporisoriumscitamineum,amajordiseaseofsugarcane:acontemporaryreview.”Phytopathology?111.11(2021):1905-1917.
[3]Huang,Yiting,YingfengLuo,andXiaoLin.“DaapNLRSeek,predictionandevolutionofresistancegenesinpolyploidsugarcanegenomes.”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）
監(jiān)制：中國科普博覽
這是一部梟雄曹操掃平群雄的爭(zhēng)霸史 更是一個(gè)樂觀主義者屢敗屢戰(zhàn)， 扭轉(zhuǎn)逆境的勵(lì)志史 人們讀 三國演義 ， 總覺得曹操是個(gè)計(jì)謀百出 百戰(zhàn)百勝的軍事天才， 但如果我們縱觀曹操一生， 就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中全軍覆沒、 死里逃生的經(jīng)歷比比皆是。 這些經(jīng)歷中的任何一次， 都能輕易將絕大多數(shù)人打入絕望的深淵， 但曹操每次都能重整旗鼓， 用樂觀的笑容面對(duì)一切逆境， 最終帶領(lǐng)手下掃平群雄， 奠定霸業(yè)。 宛城之戰(zhàn)， 曹操遭張繡背叛， 愛將典韋和長子曹昂全都戰(zhàn)死沙場(chǎng)。 眼看兵敗如山倒， 曹操急忙擦干眼淚， 高興地褒獎(jiǎng)了來援的于禁， 激勵(lì)敗兵， 以破釜沉舟之志， 反過來將張繡殺得丟盔棄甲。 官渡之戰(zhàn)， 曹操兵力不足袁紹五分之一， 軍中的存糧更只夠吃一個(gè)月， 士氣低迷， 幾乎所有人都建議撤兵。 饑腸轆轆的曹操卻笑道 困難只是暫時(shí)的， 堅(jiān)持下去， 我們一定有辦法戰(zhàn)勝袁紹。 果然不久后， 許攸就獻(xiàn)上火燒烏巢之計(jì)， 曹軍以少勝多， 為奠定北方打下了基礎(chǔ)。 赤壁之戰(zhàn)， 周瑜一把大火燒得曹操幾乎全軍覆沒。 謀士和武將都近乎絕望， 但年過50的曹操卻并沒有心灰意冷， 反而談笑自若， 一邊抵御孫權(quán)的進(jìn)攻， 一邊招兵買馬、 重整軍隊(duì)， 短短一年內(nèi)就恢復(fù)了元?dú)狻?翻開本書， 領(lǐng)略曹操如何用樂觀心態(tài)扭轉(zhuǎn)逆境。免責(zé)聲明：本文內(nèi)容由開放的智能模型自動(dòng)生成，僅供參考。
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