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》雜志在線發(fā)表我國科研人員在小麥育種方面取得的重要成果。來自中科院遺傳發(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(jī)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)遺傳點位的精準(zhǔn)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(qiáng)調(diào)。

一直在尋找打開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(chǔ)，是關(guān)乎國運民生和社會穩(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%，嚴(yán)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，其突變會給植物生長發(fā)育帶來多種負(fù)面效應(yīng)，極大地限制了感病基因在植物抗病育種中的應(yīng)用。”高彩霞解釋道。

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

小麥?zhǔn)亲钪匾闹骷Z作物之一，為全球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在世界范圍內(nèi)危害小麥生產(chǎn)的重要病害，重病田減產(chǎn)可達(dá)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(tuán)隊就和高彩霞團(tuán)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(fù)雜基因組農(nóng)作物育種中巨大的應(yīng)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)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。

八年探索終實現(xiàn)“魚與熊掌可以兼得”

研究團(tuán)隊一直沒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。“我們驚喜地發(fā)現(xiàn)，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。”邱金龍說道。

經(jīng)過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(jī)制。“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(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，最終實現(xiàn)了抗病和產(chǎn)量的雙贏。”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(xiàn)，在模式植物擬南芥中過表達(dá)TMT3也能克服其mlo突變體的負(fù)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突變體與我國小麥主栽品種進(jìn)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，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，幾個月內(nèi)就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(chǎn)量均不受影響的小麥種質(zhì)。”高彩霞解釋道。

“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(jìn)程。”邱金龍說，這項研究是小麥抗白粉病育種的重要進(jìn)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。

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。(陸成寬)

關(guān)鍵詞： 感病基因 小麥基因組編輯育種 抗病高產(chǎn)作物品種 小麥育種