民為國(guó)基，谷為民命。糧食安全是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)，是關(guān)乎國(guó)運(yùn)民生和社會(huì)穩(wěn)定的頭等大事。植物病害每年造成全球作物減產(chǎn)可達(dá)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(yán)重威脅全球和我國(guó)的糧食安全。

 

　　選育和推廣抗病新品種是防治作物病害經(jīng)濟(jì)、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(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)多種負(fù)面效應(yīng)，這進(jìn)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(yīng)用。多年來(lái)，科學(xué)家們一直在苦苦尋找打開(kāi)這一重要抗性遺傳資源寶庫(kù)的金鑰匙。

 

　　2022年2月10日，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所（微生物所）和遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所（遺傳發(fā)育所）團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際頂級(jí)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(zhǎng)文，闡明了小麥新型mlo突變體既能抗白粉病又能高產(chǎn)的分子機(jī)制；并通過(guò)基因組編輯在主栽小麥品種中對(duì)感病基因MLO相關(guān)遺傳等位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控，快速獲得了廣譜抗白粉病且高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新種質(zhì)。該研究為感病基因在抗病育種中的實(shí)際應(yīng)用提供了一條新路徑。

 

　　小麥?zhǔn)亲钪匾闹骷Z作物之一，為超過(guò)三分之一的人口提供能量來(lái)源，其產(chǎn)量和品質(zhì)直接關(guān)系到世界糧食安全。小麥白粉病（Blumeria graminis f.sp. tritici）是一種世界范圍內(nèi)危害小麥生產(chǎn)的重要真菌病害。遺傳發(fā)育所高彩霞團(tuán)隊(duì)和微生物所邱金龍團(tuán)隊(duì)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(gè)團(tuán)隊(duì)就合作在《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上發(fā)表了研究成果，利用基因組編輯技術(shù)定向突變小麥的感病基因MLO，獲得了對(duì)白粉病具有廣譜持久抗性的材料，展示了基因組編輯在復(fù)雜基因組農(nóng)作物育種中巨大的應(yīng)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(shí)也出現(xiàn)了早衰、植株變矮、產(chǎn)量下降等負(fù)面表型，從而可能限制其在生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)一直不斷探索如何在抗病育種中進(jìn)一步利用MLO基因，從而實(shí)現(xiàn)“魚(yú)與熊掌可以兼得”。幸運(yùn)的是，他們?cè)诖罅康幕蚪M編輯小麥突變體中篩選獲得了一個(gè)新型mlo突變體Tamlo-R32。該突變體表現(xiàn)出對(duì)白粉菌完全的抗性，同時(shí)生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量正常。

 

　　經(jīng)過(guò)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(jī)制，發(fā)現(xiàn)在Tamlo-R32 突變體基因組的TaMLO-B1位點(diǎn)附近存在約304Kb的大片段刪除，染色體三維結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致上游基因TaTMT3的表達(dá)水平上升，進(jìn)而克服了感病基因MLO突變引起的負(fù)面表型，最終實(shí)現(xiàn)了抗病和產(chǎn)量的雙贏。MLO基因的功能在不同植物中是保守的，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在模式植物擬南芥中過(guò)表達(dá)TMT3也能克服其mlo突變體的負(fù)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(lái)的生長(zhǎng)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(yīng)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(guó)小麥主栽品種進(jìn)行雜交，并通過(guò)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(shù)，可以直接在小麥主栽品種中創(chuàng)制相應(yīng)的基因突變，僅2-3個(gè)月就成功在多個(gè)小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長(zhǎng)和產(chǎn)量均不受影響的小麥種質(zhì)。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(jìn)程。這項(xiàng)研究是小麥抗白粉病育種的重要進(jìn)展，充分展現(xiàn)了基因組編輯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中巨大的應(yīng)用前景，也為培育抗病高產(chǎn)作物品種提供了新的策略和技術(shù)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(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)生物互作卓越中心等經(jīng)費(fèi)資助。

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04395-9