小麥基因組編輯抗病育種研究取得進展

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定的頭等大事。植物病害每年造成全球作物減產可達30%，全球氣候變化、耕作制度改變及種植品種單一化等多種因素的疊加，致使植物病害更加頻繁發生，嚴重威脅全球和我國糧食安全。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育帶來多種負面效應，這進一步反映了病原菌的狡猾，也因此限制了感病基因在植物抗病育種中的應用。多年來，科學家苦苦尋找打開這一重要抗性遺傳資源寶庫的金鑰匙。 

　　2月9日，我國科學家在《自然》（Nature）上，發表了題為Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties的研究長文，闡明了小麥新型mlo突變體既抗白粉病又高產的分子機制；通過基因組編輯在主栽小麥品種中對感病基因MLO相關遺傳等位實現精準操控，快速獲得廣譜抗白粉病又高產優質的新種質。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。小麥白粉病是由真菌（Blumeria graminis f.sp. tritici）引起的一種世界范圍內危害小麥生產的重要病害。中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊和微生物研究所邱金龍團隊致力于主糧作物基因組編輯抗病育種研究。2014年，兩個團隊合作，在《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）上發表研究成果，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的應用潛力。然而，正如在其他多種植物中觀察到的表型一樣，研究發現小麥mlo突變體表現出白粉病抗性的同時也出現了早衰、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應用。 

　　科研團隊不斷探索如何在抗病育種中進一步利用MLO基因，從而實現“魚與熊掌可以兼得”。研究在大量的基因組編輯小麥突變體中篩選獲得一個新型mlo突變體Tamlo-R32。該突變體表現出對白粉菌完全的抗性，同時生長發育和產量正常。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，發現在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，研究進一步發現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。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，科研人員利用傳統育種方法將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良性狀引入主栽品種中。更為重要的是，研究利用CRISPR基因組編輯技術，可以直接在小麥主栽品種中創制相應的基因突變，僅2-3個月便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新種質。相比于傳統育種方法，基因組編輯育種極大地縮短了育種進程。該研究是小麥抗白粉病育種的重要進展，充分展現了基因組編輯在現代農業生產中應用前景，并為培育抗病高產作物品種提供了新的策略和技術路線。 

　　研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、中國科學院大學生物互作卓越中心等的支持。