中新網(wǎng)北京2月10日電 (記者 孫自法)中國(guó)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(jìn)展——來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jī)制，并通過(guò)多重基因組編輯實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)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(tuán)隊(duì)、肖軍團(tuán)隊(duì)和中科院微生物研究所邱金龍團(tuán)隊(duì)共同完成，并于北京時(shí)間2月10日凌晨在國(guó)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(shuō)，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(dá)40%以上。高彩霞團(tuán)隊(duì)和邱金龍團(tuán)隊(duì)一直致力于主糧作物抗病生物技術(shù)育種的研究，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)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(duì)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(guò)，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(shí)，也出現(xiàn)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。
基于此，中國(guó)科學(xué)家合作研究團(tuán)隊(duì)一直不斷探索如何在抗白粉病育種中進(jìn)一步利用MLO基因，希望實(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)多年持續(xù)合作，在最新完成的研究中，合作團(tuán)隊(duì)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)抗病和產(chǎn)量的雙贏。
合作團(tuán)隊(duì)指出，MLO基因的功能在不同植物中是保守的，進(jìn)一步研究發(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(zhǎng)缺陷，為培育抗病高產(chǎn)作物品種開(kāi)辟了一條新的路徑。
為將最新研究成果應(yīng)用于抗病育種，合作團(tuán)隊(duì)一方面利用傳統(tǒng)育種方法將Tamlo-R32突變體與中國(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，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(gè)月就成功在多個(gè)小麥主栽品種中獲得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縮短了育種進(jìn)程。
農(nóng)業(yè)專家表示，中科院多團(tuán)隊(duì)合作完成的這項(xiàng)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(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)