來源:科技日報
以子之矛，攻子之盾。我國科學家成功利用感病基因，培育出抗病高產作物品種。
2月10日，《自然》雜誌線上發表我國科研人員在小麥育種方面取得的重要成果。來自中科院遺傳發育所和微生物所的研究人員闡明瞭小麥新型mlo突變體既抗白粉病又高產的分子機制，並透過多重基因組編輯實現對小麥感病基因MLO相關遺傳點位的精準操控，使主栽小麥品種快速獲得廣譜抗白粉病的優異性狀。
“這項工作是利用感病基因進行植物抗病育種研究的重要理論和技術突破。”論文共同通訊作者、中科院遺傳發育所研究員高彩霞強調。
一直在尋找開啟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%，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髮育帶來多種負面效應，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，科學家一直在苦苦尋找開啟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，為全球超過三分之一的人口提供能量來源，其產量和品質直接關係到世界糧食安全。小麥白粉病是由真菌引起的一種在世界範圍內危害小麥生產的重要病害，重病田減產可達40%以上。
“我們一直致力於主糧作物抗病生物技術育種的研究，早在2014年，我的團隊就和高彩霞團隊合作在《自然·生物技術》雜誌上發表研究成果，利用基因組編輯技術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複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察到的表型一樣，研究人員也發現小麥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廣泛應用。
八年探索終實現“魚與熊掌可以兼得”
研究團隊一直沒有放棄探索如何在抗白粉病育種中進一步利用MLO基因，從而實現“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。“我們驚喜地發現，該突變體表現出對白粉菌完全的抗性，同時生長髮育和產量正常。”邱金龍說道。
經過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。”論文共同通訊作者、中科院遺傳發育所研究員肖軍解釋道。
MLO基因在多種不同的植物中都發揮相同的功能，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。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，為培育抗病高產作物品種開闢了一條新的路徑。
為了將研究成果應用於抗病育種，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行雜交，並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，利用CRISPR多重基因組編輯技術，可以直接在小麥主栽品種中創制相應的基因突變，幾個月內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，且生長和產量均不受影響的小麥種質。”高彩霞解釋道。
“相比於傳統育種方法，基因組編輯育種極大縮短了育種程序。”邱金龍說，這項研究是小麥抗白粉病育種的重要進展，同時也充分展現出基因組編輯在現代農業生產中巨大的應用前景。
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，也為培育抗病高產作物品種提供了新的思路和技術路線。
本報記者 陸成寬
