中新網(wǎng)北京2月10日電 (記者 孫自法)中國科學(xué)家在小麥基因組編輯抗病育種研究中取得最新突破性進展——來自中國科學(xué)院的多個科研團隊通過合作，闡明小麥新型mlo突變體既抗白粉病又高產(chǎn)的分子機制，并通過多重基因組編輯實現(xiàn)對小麥感病基因MLO相關(guān)遺傳等位的精準(zhǔn)操控，從而使主栽小麥品種快速獲得廣譜抗白粉病的優(yōu)異性狀。
這一利用感病基因進行植物抗病育種研究重要理論和技術(shù)突破的成果論文，由中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(中科院遺傳發(fā)育所)高彩霞團隊、肖軍團隊和中科院微生物研究所邱金龍團隊共同完成，并于北京時間2月10日凌晨在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。
中科院遺傳發(fā)育所介紹說，小麥?zhǔn)亲钪匾闹骷Z作物之一，為超過三分之一的人口提供能量來源，其產(chǎn)量和品質(zhì)直接關(guān)系到世界糧食安全。小麥白粉病是由真菌引起的一種世界范圍內(nèi)危害小麥生產(chǎn)的重要病害，重病田減產(chǎn)可達40%以上。高彩霞團隊和邱金龍團隊一直致力于主糧作物抗病生物技術(shù)育種的研究，這兩個團隊早在2014年就合作研究，利用基因組編輯技術(shù)定向突變小麥的感病基因MLO，獲得對白粉病具有廣譜持久抗性的材料，展示基因組編輯在復(fù)雜基因組農(nóng)作物育種中巨大的應(yīng)用潛力。
不過，正如在其他多種植物觀察到的表型一樣，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)早衰、植株變矮、產(chǎn)量下降等負面表型，從而可能限制其在生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用。
基于此，中國科學(xué)家合作研究團隊一直不斷探索如何在抗白粉病育種中進一步利用MLO基因，希望實現(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(chǎn)量正常。
經(jīng)過多年持續(xù)合作，在最新完成的研究中，合作團隊最終解析了小麥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(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)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)抗病和產(chǎn)量的雙贏。
合作團隊指出，MLO基因的功能在不同植物中是保守的，進一步研究發(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，該研究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，為培育抗病高產(chǎn)作物品種開辟了一條新的路徑。
為將最新研究成果應(yīng)用于抗病育種，合作團隊一方面利用傳統(tǒng)育種方法將Tamlo-R32突變體與中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，他們利用CRISPR多重基因組編輯技術(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個月就成功在多個小麥主栽品種中獲得具有廣譜白粉病抗性，且生長和產(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縮短了育種進程。
農(nóng)業(yè)專家表示，中科院多團隊合作完成的這項研究是小麥抗白粉病育種的重要進展，同時也充分展現(xiàn)出基因組編輯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中巨大的應(yīng)用前景。該研究提出的理論，既為作物抗病育種研究提供新的視角，也為培育抗病高產(chǎn)作物品種提供新的思路和技術(shù)路線。(完)