科學(xué)家利用感病基因培育出抗病高產(chǎn)作物品種

以子之矛，攻子之盾。我國科學(xué)家成功利用感病基因，培育出抗病高產(chǎn)作物品種。

2月10日，《自然》雜志在線(xiàn)發(fā)表我國科研人員在小麥育種方面取得的重要成果。來(lái)自中科院遺傳發(fā)育所和微生物所的研究人員闡明了小麥新型mlo突變體既抗白粉病又高產(chǎn)的分子機制，并通過(guò)多重基因組編輯實(shí)現對小麥感病基因MLO相關(guān)遺傳點(diǎn)位的精準操控，使主栽小麥品種快速獲得廣譜抗白粉病的優(yōu)異性狀。

“這項工作是利用感病基因進(jìn)行植物抗病育種研究的重要理論和技術(shù)突破。”論文共同通訊作者、中科院遺傳發(fā)育所研究員高彩霞強調。

一直在尋找打開(kāi)抗性遺傳資源寶庫的金鑰匙

糧食安全是國家安全的重要基礎，是關(guān)乎國運民生和社會(huì )穩定的頭等大事。植物病害每年造成全球作物減產(chǎn)可達30%，嚴重威脅全球糧食安全。受全球氣候變化、耕作制度改變以及種植品種單一化等多種因素的影響，植物病害的發(fā)生更加頻繁，選育和推廣抗病新品種是防治病害的有效策略。

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，其突變會(huì )給植物生長(cháng)發(fā)育帶來(lái)多種負面效應，極大地限制了感病基因在植物抗病育種中的應用。”高彩霞解釋道。

多年來(lái)，科學(xué)家一直在苦苦尋找打開(kāi)這一重要抗性遺傳資源寶庫的金鑰匙。

小麥是最重要的主糧作物之一，為全球超過(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。小麥白粉病是由真菌引起的一種在世界范圍內危害小麥生產(chǎn)的重要病害，重病田減產(chǎn)可達40%以上。

“我們一直致力于主糧作物抗病生物技術(shù)育種的研究，早在2014年，我的團隊就和高彩霞團隊合作在《自然·生物技術(shù)》雜志上發(fā)表研究成果，利用基因組編輯技術(shù)定向編輯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。”論文共同通訊作者、中科院微生物所研究員邱金龍指出。

然而，正如在其他多種植物觀(guān)察到的表型一樣，研究人員也發(fā)現小麥mlo突變體表現出白粉病抗性的同時(shí)，也出現了早衰、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)上的廣泛應用。

八年探索終實(shí)現“魚(yú)與熊掌可以兼得”

研究團隊一直沒(méi)有放棄探索如何在抗白粉病育種中進(jìn)一步利用MLO基因，從而實(shí)現“魚(yú)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(gè)新型mlo突變體Tamlo-R32。“我們驚喜地發(fā)現，該突變體表現出對白粉菌完全的抗性，同時(shí)生長(cháng)發(fā)育和產(chǎn)量正常。”邱金龍說(shuō)道。

經(jīng)過(guò)8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。“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，染色體三維結構的改變導致上游基因TaTMT3的表達水平上升，進(jìn)而克服了感病基因MLO突變引起的負面表型，最終實(shí)現了抗病和產(chǎn)量的雙贏(yíng)。”論文共同通訊作者、中科院遺傳發(fā)育所研究員肖軍解釋道。

MLO基因在多種不同的植物中都發(fā)揮相同的功能，研究進(jìn)一步發(fā)現，在模式植物擬南芥中過(guò)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(lái)的生長(cháng)缺陷，為培育抗病高產(chǎn)作物品種開(kāi)辟了一條新的路徑。

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育種方法將Tamlo-R32突變體與我國小麥主栽品種進(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 )制相應的基因突變，幾個(gè)月內就成功在多個(gè)小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長(cháng)和產(chǎn)量均不受影響的小麥種質(zhì)。”高彩霞解釋道。

“相比于傳統育種方法，基因組編輯育種極大縮短了育種進(jìn)程。”邱金龍說(shuō)，這項研究是小麥抗白粉病育種的重要進(jìn)展，同時(shí)也充分展現出基因組編輯在現代農業(yè)生產(chǎn)中巨大的應用前景。

高彩霞表示，這項研究提出的理論為作物抗病育種研究提供了新的視角，也為培育抗病高產(chǎn)作物品種提供了新的思路和技術(shù)路線(xiàn)。(科技日報記者 陸成寬)

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關(guān)鍵詞： 小麥Tamlo-R32 感病基因 抗病高產(chǎn)作物 小麥新型mlo突變體