中科院利用基因編輯開發(fā)出抗病高產(chǎn)的小麥，研究成果登《自然》

俗話說，民以食為天。小麥作為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(chǎn)量和品質(zhì)直接關(guān)系到世界糧食安全。然而，小麥的生長(zhǎng)卻時(shí)常受到病蟲害的影響。其中，由真菌感染引起的白粉病是全球范圍內(nèi)小麥面臨的主要威脅之一。

2月9日，中國(guó)科學(xué)家在頂刊《自然》上發(fā)表研究論文，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，并通過基因組編輯在主栽小麥品種中對(duì)感病基因MLO相關(guān)遺傳等位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控，快速獲了得廣譜抗白粉病又高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新種質(zhì)。

早在2014年，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊(duì)和微生物研究所邱金龍團(tuán)隊(duì)通過合作，利用基因組編輯技術(shù)定向突變小麥的感病基因MLO，獲得了對(duì)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)作物育種中的應(yīng)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(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)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)上的應(yīng)用。

在新研究中，研究人員在大量的基因組編輯小麥突變體中篩選獲得一個(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(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)了抗病和產(chǎn)量的雙贏。

為了將研究成果應(yīng)用于抗病育種，科研人員利用傳統(tǒng)育種方法將Tamlo-R32突變體與我國(guó)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，研究利用CRISPR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)月便成功在多個(gè)小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長(zhǎng)和產(chǎn)量均不受影響的小麥新種質(zhì)。

相比于傳統(tǒng)育種方法，基因組編輯育種極大地縮短了育種進(jìn)程。該研究是小麥抗白粉病育種的重要進(jìn)展，充分展現(xiàn)了基因組編輯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用前景，并為培育抗病高產(chǎn)作物品種提供了新的策略和技術(shù)路線。

該研究論文題為“Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties”，已發(fā)表在《自然》期刊上。

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論文原文：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04395-9

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標(biāo)簽： 基因編輯 生物育種