昨天，《自然》杂志在线版报道了中国科学院的遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组和微生物研究所邱金龙课题组的成果，他们研发出了一种新的小麦突变体Tamlo-R32，该突变体对白粉病具有强大的抗病能力，而没有任何产量缺陷。
Tamlo-R32突变体（中）具有抗白粉病能力且无生长缺陷 | 参考文献[3]
这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论和技术突破。它意味着，号称小麦三大病害之一的白粉病终于被大陆科学家“拿下”。该研究成果于2022年2月9日以Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties为题发表在Nature上。
“这一具有重要理论与实际应用价值的研究工作，将成为作物育种领域标志性的成果。”西北农林科技大学康振生院士对此评论道。这项成果展现了基因组编辑在作物分子设计育种中的巨大潜力，对保障粮食安全具有重大意义。
历经8年，
获得生长良好的抗病突变体
小麦是世界各地的主要粮食作物，供养着全球三分之一以上的人口。而白粉病是影响小麦产量的主要病害之一。上世纪80年代，科学家就已经找到了对白粉病具有抗性的大麦。MLO感病基因功能的丧失使大麦拥有了广谱抗病性，已被引入大麦品种，但让小麦拥有抗病性却十分困难。
小麦是世界各地的主要粮食作物，但让小麦拥有抗病性十分困难 | Pixabay
病原体通常利用植物宿主的感病基因来实现成功的感染。感病基因的突变虽然能导致了对病原菌的广谱、持久的抗性，但感病基因的敲除通常会导致多效性，极大地限制了其在抗病育种中的应用。
早在2014年，高彩霞和邱金龙团队就利用基因组编辑技术，在六倍体小麦中同时敲除了A、B、D三个基因组中的MLO基因，获得了广谱高抗白粉病的六倍体小麦材料Tamlo，文章发表在《自然·生物技术》上。这是基因编辑育种的经典案例。
2014年的文章发表后引起了世界范围的关注，入选《自然·生物技术》创刊20周年最具有影响力的20篇文章，并被《麻省理工科技评论》誉为“全球十大技术突破之一”。高彩霞教授也因引领了植物基因组编辑的浪潮，入选《自然》2016年度“十位中国科学之星”。
虽然这个变异体显示了强大的抗病性，但与野生型小麦相比，它的产量很差。研究人员在后续的筛选中，发现了一个新型MLO突变体Tamlo-R32，在表现出抗病性的同时，株高和生长状况比其他突变体都要好，与野生型小麦无异。以此为突破点，历经8年攻关，终于培育出了具有抗白粉病能力且无生长缺陷的优良小麦品种。
突破重重科研难关
然而，培育一个“完美”的优良小麦品种并不容易。普通小麦基因组十分庞大，是人类基因组的5倍，水稻基因组的40倍，其序列重复性也十分高，基因组结构极为复杂。受限于当时的基因组数据，研究团队在这个问题上探索了四年。
直到2018年，新完成的小麦基因组重测序数据和染色体精细图谱，为研究带来了进展。
Tamlo-R32突变体的一段长达304千碱基对的基因缺失 | 参考文献[3]
研究人员发现 ，Tamlo-R32突变体除了 TaMLO-A1和TaMLO-D1位点的两个过早终止密码子外，在TaMLO-B1附近还存在一段长达304千碱基对的缺失。RNA测序显示，这段大量的缺失改变了局部的染色质状态，导致了TaTMT3B的异位激活。
野生型（左）TaTMT3表达受到抑制；Tamlo-R32突变体（右）删除304Kb大片段基因组后，TaTMT3的表达被激活 | 参考文献[3]
研究人员随后确定了TaTMT3B在MLO感病基因敲除后对恢复小麦生长和产量的正向作用。研究人员进一步发现，在模式植物拟南芥中过表达TMT3也能克服其感病基因突变产生的负面表型。这表明它在多种作物中的应用潜力。
为了扩大其研究成果在作物抗病育种中的应用，研究人员使用了传统育种方法将Tamlo-R32突变体与优良小麦品种杂交，成功地将优良抗病性状引入优良品种。
为了更高效地完成这一任务，研究人员使用了一种简单而快速的方法，利用多路复用 CRISPR技术，直接在优良小麦品种上定向突破，只需2-3个月就能成功创造出既具有广谱抗白粉病又高产的优良小麦品种。
高彩霞 | 中国科学网
参考文献
[1]https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/2/473719.shtm
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/942549
作者：小锅
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
团队信息
共同通讯作者：
高彩霞：中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员，1991年获甘肃农业大学学士；1994年获甘肃农业大学硕士；1997年获中国农业大学博士；1997-1998年丹麦DLF-Trifolium公司科研部博士后；1998-2009年丹麦DLF-Trifolium公司科研部Research Scientist，课题组长。2009年9月回国，在遗传发育所植物细胞与染色体工程国家重点实验室任研究员，课题组长，2010年入选中国科学院“杰出技术人才”。主要研究领域为植物基因组编辑技术、生物安全新型育种技术以及基因组编辑定向设计分子育种等方面的研究，致力于推动基因组编辑在分子设计育种中的应用。