昨天，《自然》雜志線上版報道了中國科學院的遺傳與發育生物學研究所高彩霞課題組和微生物研究所邱金龍課題組的成果，他們研發出了一種新的小麥突變體Tamlo-R32，該突變體對白粉病具有強大的抗病能力，而沒有任何産量缺陷。
Tamlo-R32突變體（中）具有抗白粉病能力且無生長缺陷 | 參考文獻[3]
這一成果标志着利用感病基因培育抗病植物的方式取得了重要的理論和技術突破。它意味着，号稱小麥三大病害之一的白粉病終于被大陸科學家“拿下”。該研究成果于2022年2月9日以Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties為題發表在Nature上。
“這一具有重要理論與實際應用價值的研究工作，将成為作物育種領域标志性的成果。”西北農林科技大學康振生院士對此評論道。這項成果展現了基因組編輯在作物分子設計育種中的巨大潛力，對保障糧食安全具有重大意義。
曆經8年，
獲得生長良好的抗病突變體
小麥是世界各地的主要糧食作物，供養着全球三分之一以上的人口。而白粉病是影響小麥産量的主要病害之一。上世紀80年代，科學家就已經找到了對白粉病具有抗性的大麥。MLO感病基因功能的喪失使大麥擁有了廣譜抗病性，已被引入大麥品種，但讓小麥擁有抗病性卻十分困難。
小麥是世界各地的主要糧食作物，但讓小麥擁有抗病性十分困難 | Pixabay
病原體通常利用植物宿主的感病基因來實作成功的感染。感病基因的突變雖然能導緻了對病原菌的廣譜、持久的抗性，但感病基因的敲除通常會導緻多效性，極大地限制了其在抗病育種中的應用。
早在2014年，高彩霞和邱金龍團隊就利用基因組編輯技術，在六倍體小麥中同時敲除了A、B、D三個基因組中的MLO基因，獲得了廣譜高抗白粉病的六倍體小麥材料Tamlo，文章發表在《自然·生物技術》上。這是基因編輯育種的經典案例。
2014年的文章發表後引起了世界範圍的關注，入選《自然·生物技術》創刊20周年最具有影響力的20篇文章，并被《麻省理工科技評論》譽為“全球十大技術突破之一”。高彩霞教授也因引領了植物基因組編輯的浪潮，入選《自然》2016年度“十位中國科學之星”。
雖然這個變異體顯示了強大的抗病性，但與野生型小麥相比，它的産量很差。研究人員在後續的篩選中，發現了一個新型MLO突變體Tamlo-R32，在表現出抗病性的同時，株高和生長狀況比其他突變體都要好，與野生型小麥無異。以此為突破點，曆經8年攻關，終于培育出了具有抗白粉病能力且無生長缺陷的優良小麥品種。
突破重重科研難關
然而，培育一個“完美”的優良小麥品種并不容易。普通小麥基因組十分龐大，是人類基因組的5倍，水稻基因組的40倍，其序列重複性也十分高，基因組結構極為複雜。受限于當時的基因組資料，研究團隊在這個問題上探索了四年。
直到2018年，新完成的小麥基因組重測序資料和染色體精細圖譜，為研究帶來了進展。
Tamlo-R32突變體的一段長達304千堿基對的基因缺失 | 參考文獻[3]
研究人員發現 ，Tamlo-R32突變體除了 TaMLO-A1和TaMLO-D1位點的兩個過早終止密碼子外，在TaMLO-B1附近還存在一段長達304千堿基對的缺失。RNA測序顯示，這段大量的缺失改變了局部的染色質狀态，導緻了TaTMT3B的異位激活。
野生型（左）TaTMT3表達受到抑制；Tamlo-R32突變體（右）删除304Kb大片段基因組後，TaTMT3的表達被激活 | 參考文獻[3]
研究人員随後确定了TaTMT3B在MLO感病基因敲除後對恢複小麥生長和産量的正向作用。研究人員進一步發現，在模式植物拟南芥中過表達TMT3也能克服其感病基因突變産生的負面表型。這表明它在多種作物中的應用潛力。
為了擴大其研究成果在作物抗病育種中的應用，研究人員使用了傳統育種方法将Tamlo-R32突變體與優良小麥品種雜交，成功地将優良抗病性狀引入優良品種。
為了更高效地完成這一任務，研究人員使用了一種簡單而快速的方法，利用多路複用 CRISPR技術，直接在優良小麥品種上定向突破，隻需2-3個月就能成功創造出既具有廣譜抗白粉病又高産的優良小麥品種。
高彩霞 | 中國科學網
參考文獻
[1]https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/2/473719.shtm
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/942549
作者：小鍋
編輯：酥魚
排版：尹甯流
團隊資訊
共同通訊作者：
高彩霞：中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員，1991年獲甘肅農業大學學士；1994年獲甘肅農業大學碩士；1997年獲中國農業大學博士；1997-1998年丹麥DLF-Trifolium公司科研部博士後；1998-2009年丹麥DLF-Trifolium公司科研部Research Scientist，課題組長。2009年9月回國，在遺傳發育所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室任研究員，課題組長，2010年入選中國科學院“傑出技術人才”。主要研究領域為植物基因組編輯技術、生物安全新型育種技術以及基因組編輯定向設計分子育種等方面的研究，緻力于推動基因組編輯在分子設計育種中的應用。