我國科學家重要突破：基因編輯小麥登上《自然》

IT之家 2 月 10 日消息，據中國科學院網站，2 月 9 日，大陸科學家在《自然》（Nature）上，發表了題為 Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties 的研究長文，闡明了小麥新型 mlo 突變體既抗白粉病又高産的分子機制；通過基因組編輯在主栽小麥品種中對感病基因 MLO 相關遺傳等位實作精準操控，快速獲得廣譜抗白粉病又高産優質的新種質。該研究為感病基因在抗病育種中的實際應用提供了新路徑。

據介紹，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊和微生物研究所邱金龍團隊緻力于主糧作物基因組編輯抗病育種研究。2014 年，兩個團隊合作，在《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）上發表研究成果，利用基因組編輯技術定向突變小麥的感病基因 MLO，獲得了對白粉病具有廣譜持久抗性的材料，展示了基因組編輯在複雜基因組農作物育種中的應用潛力。然而，正如在其他多種植物中觀察到的表型一樣，研究發現小麥 mlo 突變體表現出白粉病抗性的同時也出現了早衰、植株變矮、産量下降等負面表型，進而可能限制其在生産上的應用。

科研團隊不斷探索如何在抗病育種中進一步利用 MLO 基因，進而實作“魚與熊掌可以兼得”。研究在大量的基因組編輯小麥突變體中篩選獲得一個新型 mlo 突變體 Tamlo-R32。該突變體表現出對白粉菌完全的抗性，同時生長發育和産量正常。經過八年的通力合作，研究人員最終解析了小麥 Tamlo-R32 突變體表型形成的分子機制，發現在 Tamlo-R32 突變體基因組的 TaMLO-B1 位點附近存在約 304Kb 的大片段删除，染色體三維結構的改變導緻上遊基因 TaTMT3 的表達水準上升，進而克服了感病基因 MLO 突變引起的負面表型，最終實作了抗病和産量的雙赢。MLO 基因的功能在不同植物中是保守的，研究進一步發現在模式植物拟南芥中過表達 TMT3 也能克服其 mlo 突變體的負面表型。該研究證明了疊加的遺傳改變可以克服感病基因突變帶來的生長缺陷，為作物抗病育種研究提供了新的理論視角。

▲ 基因組編輯介導染色體重排獲得抗白粉病高産小麥。A-D：Tamlo-R32 抗白粉病且無生長缺陷；E、Tamlo-R32 在 TaMLO-B1 附近産生 304Kb 大片段缺失；F、TaTMT3B 表達調控示意圖；G、利用基因組編輯快速獲得抗白粉病小麥新種質 | 圖源：中國科學院網站

為了将研究成果應用于抗病育種，科研人員利用傳統育種方法将 Tamlo-R32 突變體與大陸小麥主栽品種進行雜交，并通過幾代回交将抗病優良性狀引入主栽品種中。更為重要的是，研究利用 CRISPR 基因組編輯技術，可以直接在小麥主栽品種中創制相應的基因突變，僅 2-3 個月便成功在多個小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長和産量均不受影響的小麥新種質。相比于傳統育種方法，基因組編輯育種極大地縮短了育種程序。該研究是小麥抗白粉病育種的重要進展，充分展現了基因組編輯在現代農業生産中應用前景，并為培育抗病高産作物品種提供了新的政策和技術路線。