時隔八年，曾廣受關注的小麥白粉病“緝兇案”終于迎來了後記。
中科院遺傳發育所高彩霞團隊和中科院微生物所邱金龍團隊用多重“基因剪刀”，實作了對小麥重要感病基因序列的精準操控，獲得了既高抗白粉病又高産的新材料。這項研究2月10日淩晨發表于《自然》。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”。
“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說，它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。
“另一隻靴子”落地
白粉病是廣泛影響小麥産量的三大病害之一。據農業農村部統計，大陸每年受白粉病影響的小麥面積達到1億畝左右，重病田甚至會減産40%。将這一嚴重威脅糧食安全的真菌“緝拿歸案”，是很多育種專家的夢想。
小麥三大病害趨勢圖，圖中可見小麥白粉病發病面積居高不下。作者供圖
目前，分子育種家們都是通過抗性基因抵抗白粉病。但就像病毒預防一樣，這種途徑不具有廣譜性和持久性，很容易随着白粉病新小種的出現而失去效用。
病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，能否通過阻斷這個病害與植物連接配接的“橋梁”來獲得廣譜持久的抗性呢？長期以來，這是科學界一個可望而不可及的夢想。
“感病基因的突變通常能夠賦予植物廣譜持久的抗病性，但它往往具有重要的生理功能，其突變會給植物生長發育帶來多種負面效應。”論文第一作者、邱金龍團隊助理研究員李盛楠向記者解釋，這進一步反映了病原菌的“狡猾”，極大地限制了感病基因在植物抗病育種中的應用。
李盛楠照片。受訪者供圖
不過，高彩霞團隊與邱金龍團隊将雙方在基因編輯和抗病研究方面的優勢相結合，選擇了利用植物抗病的新理論和先進生物技術去攻克擺在育種家和植物生物學家面前的難題。
科學家很早就知道MLO是小麥的感病基因，但由于普通小麥是異源六倍體，MLO基因有3個拷貝，通過天然突變方式同時敲除這三個基因幾乎不可能發生。2014年，合作團隊利用“基因剪刀”定向敲除MLO的三個拷貝，不出所料地獲得了對白粉病具有廣譜持久抗性的小麥新材料。
相關研究在《自然—生物技術》發表後在全世界範圍内獲得極大關注。該研究入選該刊創刊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”。
不過，這個故事還有另一半——正如在其他多種植物中觀察到的一樣，研究團隊也發現敲除感病基因MLO的小麥出現了一定程度的負面表型，如早衰、植株變矮、産量下降等，限制了其在生産上的廣泛應用。然而，研究團隊選擇迎難而上。
幸運總是眷顧努力的人，在當時敲除MLO後得到的100多個基因組編輯小麥突變體中，他們發現了一個“寶貝”材料——突變體Tamlo-R32。它在表現出對白粉菌抗性的同時，生長發育和産量完全正常。
這個與衆不同的材料讓高彩霞堅信，感病基因突變抗病并非“死胡同”，“沿着這條路走一定能夠做成”。
現在，經過八年協力攻關，“另一隻靴子”終于落地。在發表于《自然》的新研究中，他們解開了Tamlo-R32突變背後的秘密，克服了感病基因MLO突變引起的負面表型，實作了抗病高産“魚與熊掌”的兼得。
層層推進破懸疑
在敲除MLO得到的大量突變體中，Tamlo-R32為何一枝獨秀？這個産量甚至超過普通野生型小麥的材料是怎麼出現的？如何通過基因組編輯實作它并将其導入小麥主栽品種中？
2014年之後，圍繞Tamlo-R32這個“主角”的系列懸疑，成為高彩霞和合作者迫切要破解的謎題。
這并不容易。
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。其序列重複性相當高，基因組結構極為複雜，這為揭開造成Tamlo-R32突變體的奧秘帶來了極大挑戰。
一開始，由于小麥基因組資料并不完善，研究團隊隻能通過一系列漫長的傳統遺傳學實驗進行分析，這讓他們确定在小麥三個染色體組A、B、D中，A和D基因組上都存在預期的突變。
“但如果隻有這兩個基因組發生改變，還不足以抵抗白粉病，是以B基因組上一定也有問題。”高彩霞說，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始終未能窺見其關鍵。
直到2018年，借助新完成的小麥基因組重測序資料和染色體精細圖譜，這個“暗箱”終于被打開了。
讓高彩霞和合作者吃驚的是，Tamlo-R32突變體的B基因組上竟然發生了高達304Kb（超過30萬DNA字母）的大片段删除——這導緻該突變體的染色體三維結構被改變，使上遊基因TaTMT3（與糖轉運蛋白相關）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。
野生型、Tamlo-R32突變體和敲除MLO感病基因小麥的對比圖。左圖為野生型，其中TaTMT3表達受到抑制；右圖為Tamlo-R32突變體，删除304Kb大片段基因組後，TaTMT3的表達被激活。作者供圖
懸疑破解了，但要精确實作304Kb這一大的基因組片段剪切，并非易事。“這要求‘剪刀’的效率要特别高。”高彩霞對記者說，抗白粉病基因編輯研究十年來，目前已擁有7項核心技術專利，研究團隊還開創了一系列基因組編輯新技術。
正是基于這些核心技術，研究組通過疊加使用“基因剪刀”，在敲除MLO感病基因的同時，删除了TaMLO-B附近的大片段DNA，進而實作了将這一抗病高産優異性狀引進到大陸多個小麥主栽品種中。
由于MLO的基因功能在不同植物中相對保守。研究者進一步發現，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。”李盛楠說。
至此，研究團隊終于講完了利用感病基因進行小麥抗病育種的故事。回顧其中的挑戰，高彩霞有些風輕雲淡地說：“我們知道路就在那裡，隻要堅持不懈就一定能夠到達。”
她特别強調李盛楠在此過程中的付出：“他真的是在辛勤耕耘。同一個實驗室的其他人已經發了很多文章，當了教授。這項研究他從博士後做到助理研究員，一直在堅持做。”
功夫不負有心人。這個曆經“八年抗戰”取得的研究成果獲得了審稿人的一緻好評。多位審稿人表示這項研究“令人興奮”、“具有很大應用潛力”。其中一位審稿人指出：“這項工作代表了在探索沒有負面效應影響的抗病小麥中向前邁出的重要一步。”
高彩霞照片。受訪者供圖
引領下一代育種
用近八年時間“死磕”基礎研究，高彩霞與合作者的目的很明确：走向基因組編輯的應用，讓白粉病不再成為小麥的威脅。
“基因組編輯的一個優點是可以更友善、快捷、精準地進行作物育種和改良。”李盛楠說，研究團隊用了數年時間了解Tamlo-R32的突變機制，但僅用了幾個月就用基因組編輯技術在多個小麥主栽品種中獲得了抗病且高産的種質資源。而傳統雜交育種則需要五六年的時間。
在2019年和2020年于北京和河北趙縣進行的大田試驗中，聯合團隊進一步證明了新種質資源的可靠性：正常MLO突變體造成的株高矮化在10%左右，産量降低16%左右；而新突變體具有超出或至少保持與親本一緻的産量。
“培育和推廣抗病新品種是防治植物病害最經濟、高效和環境友好的政策。”康振生院士評論說，“這項研究驗證了基因組編輯技術的發展對作物性狀的改良具有重大的推動作用，尤其對經典遺傳改造難以實施的多倍體複雜基因組農作物的改良，對保障糧食安全具有重大意義。”
“和傳統育種技術相比，基因組編輯育種的優勢非常明顯。”高彩霞對比說，傳統雜交育種要引入一個抗病基因，需要進行6~8代的回交，整個過程非常漫長，而且其前提是雜交的親本種要有抗病基因。通過突變育種（輻射、化學誘變等方法）具有盲目性和随機性，找到理想的突變體無異于大海撈針。而基因組編輯為精準定向育種提供了可能。
“通過基因組編輯可以不添加任何外源性的基因，隻需要把靶向的序列修改好，大大節省了時間和工作量。”她補充說。
事實上，高彩霞指出，基因組編輯技術經過10年的發展已經不僅僅是“一把剪刀”的概念。進化至“2.0時代”的堿基編輯和引導編輯還可以是一塊“橡皮”或一支“鉛筆”。
“如果一個序列有點多，你可以把它剪掉；如果組成DNA的四個字母ATCG有一個錯了，你可以像用一個‘橡皮擦’把它擦掉，然後用‘鉛筆’寫入正确字母，而‘鉛筆’、‘橡皮擦’是不留在細胞裡的。”她比喻說。
好消息是，今年1月底農業農村部制定公布了《農業用基因編輯植物安全評價指南（試行）》，進一步規範了農業基因編輯植物的安全評價管理，促進大陸生物育種技術和産業發展。“在這個政策的鼓舞和鞭策下，相信大陸會有更多的基因組編輯材料很快進入到田間和市場。”高彩霞表示，下一步将深入開展小麥白粉病新種質資源的開發和推廣應用。
相關論文資訊：DOI: 10.1038/s41586-022-04395-9
來源：小柯生命