民為國基，谷為民命。糧食安全是國家安全的重要基礎，是關乎國運民生和社會穩(wěn)定的頭等大事。植物病害每年造成全球作物減產可達30%，隨著全球氣候變化、耕作制度改變以及種植品種單一化等多種因素的疊加，植物病害更加頻繁地發(fā)生，嚴重威脅全球和我國的糧食安全。
選育和推廣抗病新品種是防治作物病害經濟、有效和環(huán)境友好的策略。病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，感病基因的突變通常能夠賦予植物廣譜持久的抗病性。然而，感病基因具有重要的生理功能，其突變給植物生長發(fā)育帶來多種負面效應，這進一步反映了病原菌的狡猾，并且極大地限制了感病基因在植物抗病育種中的應用。多年來，科學家們一直在苦苦尋找打開這一重要抗性遺傳資源寶庫的金鑰匙。
2022年2月10日，中國科學院微生物研究所（微生物所）和遺傳與發(fā)育生物學研究所（遺傳發(fā)育所）團隊合作在國際頂級期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“Genome edited powderymildew resistance in wheat without growth penalties”的研究長文，闡明了小麥新型mlo突變體既能抗白粉病又能高產的分子機制；并通過基因組編輯在主栽小麥品種中對感病基因MLO相關遺傳等位實現(xiàn)精準操控，快速獲得了廣譜抗白粉病且高產優(yōu)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一條新路徑。
小麥是最重要的主糧作物之一，為超過三分之一的人口提供能量來源，其產量和品質直接關系到世界糧食安全。小麥白粉?。˙lumeria graminis f.sp. tritici）是一種世界范圍內危害小麥生產的重要真菌病害。遺傳發(fā)育所高彩霞團隊和微生物所邱金龍團隊一直致力于主糧作物基因組編輯抗病育種的研究，早在2014年兩個團隊就合作在《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）雜志上發(fā)表了研究成果，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復雜基因組農作物育種中巨大的應用潛力。然而，正如在其它多種植物中觀察到的表型一樣，研究人員也發(fā)現(xiàn)小麥mlo突變體表現(xiàn)出白粉病抗性的同時也出現(xiàn)了早衰、植株變矮、產量下降等負面表型，從而可能限制其在生產上的廣泛應用。研究團隊一直不斷探索如何在抗病育種中進一步利用MLO基因，從而實現(xiàn)“魚與熊掌可以兼得”。幸運的是，他們在大量的基因組編輯小麥突變體中篩選獲得了一個新型mlo突變體Tamlo-R32。該突變體表現(xiàn)出對白粉菌完全的抗性，同時生長發(fā)育和產量正常。
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(fā)現(xiàn)在Tamlo-R32 突變體基因組的TaMLO-B1位點附近存在約304Kb的大片段刪除，染色體三維結構的改變導致上游基因TaTMT3的表達水平上升，進而克服了感病基因MLO突變引起的負面表型，最終實現(xiàn)了抗病和產量的雙贏。MLO基因的功能在不同植物中是保守的，研究進一步發(fā)現(xiàn)在模式植物擬南芥中過表達TMT3也能克服其mlo突變體的負面表型。因此，該工作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。
為了將研究成果應用于抗病育種，研究人員一方面利用傳統(tǒng)育種方法將Tamlo-R32 突變體與我國小麥主栽品種進行雜交，并通過幾代回交將抗病優(yōu)良性狀引入主栽品種中。更為重要的是，利用CRISPR基因組編輯技術，可以直接在小麥主栽品種中創(chuàng)制相應的基因突變，僅2-3個月就成功在多個小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長和產量均不受影響的小麥種質。相比于傳統(tǒng)育種方法，基因組編輯育種極大地縮短了育種進程。這項研究是小麥抗白粉病育種的重要進展，充分展現(xiàn)了基因組編輯在現(xiàn)代農業(yè)生產中巨大的應用前景，也為培育抗病高產作物品種提供了新的策略和技術路線。
微生物所邱金龍研究組助理研究員李盛楠，遺傳發(fā)育所高彩霞研究組博士生林德行，博士后張韞瑋，遺傳發(fā)育所肖軍研究組博士生鄧民為本文的共同第一作者。高彩霞研究員、邱金龍研究員和肖軍研究員為共同通訊作者。遺傳發(fā)育所劉志勇研究組也參與了該研究工作。該研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導專項、國家自然科學基金、中國科學院大學生物互作卓越中心等經費資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04395-9
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