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中国科学家在小麦基因组编辑抗病育种研究中取得突破性进展

作者: 张之豪 来源: 中国日报网
2022-02-11 10:23 
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中国日报2月10日电(记者 张之豪)2022年2月10日,中国科学院高彩霞团队、邱金龙团队和肖军团队合作在Nature杂志发表题为“Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties”的研究长文,阐明了小麦新型mlo突变体既抗白粉病又高产的分子机制,并通过多重基因组编辑实现对小麦感病基因MLO相关遗传等位的精准操控,使主栽小麦品种快速获得广谱抗白粉病的优异性状。这一工作是利用感病基因进行植物抗病育种研究的重要理论和技术突破。

民为国基,谷为民命。粮食安全是国家安全的重要基础,是关乎国运民生和社会稳定的头等大事。植物病害每年造成全球作物减产可达30%,严重威胁全球粮食安全。目前伴随着全球气候变化、耕作制度改变以及种植品种单一化等多种因素的叠加,植物病害更加频繁地发生,选育和推广抗病新品种是防治病害经济、有效和环境友好的策略。病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因,感病基因的突变通常能够赋予植物广谱持久的抗病性。然而,感病基因具有重要的生理功能,其突变给植物生长发育带来多种负面效应,这反映了病原菌的狡猾,但因此极大地限制了感病基因在植物抗病育种中的应用,多年来,科学家们一直在苦苦寻找打开这一重要抗性遗传资源宝库的金钥匙。

小麦是最重要的主粮作物之一,为超过三分之一的人口提供能量来源,其产量和品质直接关系到世界粮食安全。小麦白粉病是由真菌(Blumeria graminis f.sp. tritici)引起的一种世界范围内危害小麦生产的重要病害,重病田减产可达40%以上。中科院遗传发育所高彩霞团队和微生物所邱金龙团队一直致力于主粮作物抗病生物技术育种的研究,早在2014年,两个团队就合作在Nature Biotechnology杂志上发表研究成果,利用基因组编辑技术定向突变小麦的感病基因MLO,获得了对白粉病具有广谱持久抗性的材料,展示了基因组编辑在复杂基因组农作物育种中巨大的应用潜力。然而,正如在其他多种植物观察到的表型一样,研究人员也发现小麦mlo突变体表现出白粉病抗性的同时,也出现了早衰、植株变矮、产量下降等负面表型,从而可能限制其在生产上的广泛应用。

研究团队一直不断探索如何在抗白粉病育种中进一步利用MLO基因,从而 实现“鱼与熊掌可以兼得”。幸运的是,他们在大量的基因组编辑小麦突变体中筛选获得了一个新型mlo突变体Tamlo-R32。该突变体表现出对白粉菌完全的抗性,同时生长发育和产量正常。经过七年的通力合作,研究人员最终解析了小麦Tamlo-R32突变体表型形成的分子机制,发现在Tamlo-R32突变体基因组的TaMLO-B1 位点附近存在约304Kb的大片段删除,染色体三维结构的改变导致上游基因TaTMT3的表达水平上升,进而克服了感病基因MLO突变引起的负面表型,最终实现了抗病和产量的双赢。MLO基因的功能在不同植物中是保守的,研究进一步发现,在模式植物拟南芥中过表达TMT3也能克服其mlo突变体的负面表型。因此,该研究证明了叠加的遗传改变可以克服感病基因突变带来的生长缺陷,为培育抗病高产作物品种开辟了一条新的路径。

为了将研究成果应用于抗病育种,研究人员一方面利用传统育种方法将Tamlo-R32突变体与我国小麦主栽品种进行杂交,并通过几代回交将抗病优良性状引入主栽品种中。更为重要的是,利用CRISPR多重基因组编辑技术,可以直接在小麦主栽品种中创制相应的基因突变,仅2-3个月就成功在多个小麦主栽品种中获得了具有广谱白粉病抗性,且生长和产量均不受影响的小麦种质。相比于传统育种方法,基因组编辑育种极大缩短了育种进程。这项研究是小麦抗白粉病育种的重要进展,同时也充分展现出基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景。该研究提出的理论为作物抗病育种研究提供了新的视角,也为培育抗病高产作物品种提供了新的思路和技术路线。

中科院微生物所邱金龙课题组助理研究员李盛楠, 中科院遗传发育所高彩霞课题组博士生林德行、博士后张韫玮,中科院遗传发育所肖军课题组博士生邓民为本文共同第一作者。高彩霞研究员、邱金龙研究员和肖军研究员为共同通讯作者。中科院遗传发育所刘志勇课题组也参与了研究工作。该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金等经费资助。

【责任编辑:富文佳】
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