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《Nature》:中科院微生物所邱金龙团队合作用双重“基因剪刀”实现小麦突破性抗病高产育种

时间:2022/02/23

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来源:中国科学院微生物研究所


     民为国基,谷为民命。粮食安全是国家安全的重要基础,是关乎国运民生和社会稳定的头等大事。植物病害每年造成全球作物减产可达30%,随着全球气候变化、耕作制度改变以及种植品种单一化等多种因素的叠加,植物病害更加频繁地发生,严重威胁全球和我国的粮食安全。

 


    选育和推广抗病新品种是防治作物病害经济、有效和环境友好的策略。病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因,感病基因的突变通常能够赋予植物广谱持久的抗病性。然而,感病基因具有重要的生理功能,其突变给植物生长发育带来多种负面效应,这进一步反映了病原菌的狡猾,并且极大地限制了感病基因在植物抗病育种中的应用。多年来,科学家们一直在苦苦寻找打开这一重要抗性遗传资源宝库的金钥匙。


 


     2022210日,中国科学院微生物研究所(微生物所)和遗传与发育生物学研究所(遗传发育所)团队合作在国际顶级期刊《自然》(Nature)上发表了题为“Genome edited powderymildew resistance in wheat without growth penalties”的研究长文,阐明了小麦新型mlo突变体既能抗白粉病又能高产的分子机制;并通过基因组编辑在主栽小麦品种中对感病基因MLO相关遗传等位实现精准操控,快速获得了广谱抗白粉病且高产优质的新种质。该研究为感病基因在抗病育种中的实际应用提供了一条新路径。


 


     小麦是最重要的主粮作物之一,为超过三分之一的人口提供能量来源,其产量和品质直接关系到世界粮食安全。小麦白粉病(Blumeria graminis f.sp. tritici)是一种世界范围内危害小麦生产的重要真菌病害。遗传发育所高彩霞团队和微生物所邱金龙团队一直致力于主粮作物基因组编辑抗病育种的研究,早在2014年两个团队就合作在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上发表了研究成果,利用基因组编辑技术定向突变小麦的感病基因MLO,获得了对白粉病具有广谱持久抗性的材料,展示了基因组编辑在复杂基因组农作物育种中巨大的应用潜力。然而,正如在其它多种植物中观察到的表型一样,研究人员也发现小麦mlo突变体表现出白粉病抗性的同时也出现了早衰、植株变矮、产量下降等负面表型,从而可能限制其在生产上的广泛应用。研究团队一直不断探索如何在抗病育种中进一步利用MLO基因,从而实现鱼与熊掌可以兼得。幸运的是,他们在大量的基因组编辑小麦突变体中筛选获得了一个新型mlo突变体Tamlo-R32。该突变体表现出对白粉菌完全的抗性,同时生长发育和产量正常。


 

     经过八年的通力合作,研究人员最终解析了小麦Tamlo-R32突变体表型形成的分子机制,发现在Tamlo-R32 突变体基因组的TaMLO-B1位点附近存在约304Kb的大片段删除,染色体三维结构的改变导致上游基因TaTMT3的表达水平上升,进而克服了感病基因MLO突变引起的负面表型,最终实现了抗病和产量的双赢。MLO基因的功能在不同植物中是保守的,研究进一步发现在模式植物拟南芥中过表达TMT3也能克服其mlo突变体的负面表型。因此,该工作证明了叠加的遗传改变可以克服感病基因突变带来的生长缺陷,为作物抗病育种研究提供了新的理论视角。

 


      为了将研究成果应用于抗病育种,研究人员一方面利用传统育种方法将Tamlo-R32 突变体与我国小麦主栽品种进行杂交,并通过几代回交将抗病优良性状引入主栽品种中。更为重要的是,利用CRISPR基因组编辑技术,可以直接在小麦主栽品种中创制相应的基因突变,仅2-3个月就成功在多个小麦主栽品种中获得了具有广谱白粉病抗性,且生长和产量均不受影响的小麦种质。相比于传统育种方法,基因组编辑育种极大地缩短了育种进程。这项研究是小麦抗白粉病育种的重要进展,充分展现了基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景,也为培育抗病高产作物品种提供了新的策略和技术路线。


 


       微生物所邱金龙研究组助理研究员李盛楠,遗传发育所高彩霞研究组博士生林德行,博士后张韫玮,遗传发育所肖军研究组博士生邓民为本文的共同第一作者。高彩霞研究员、邱金龙研究员和肖军研究员为共同通讯作者。遗传发育所刘志勇研究组也参与了该研究工作。该研究得到了中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金、中国科学院大学生物互作卓越中心等经费资助。


   


图:基因组编辑介导染色体重排获得抗白粉病高产小麦
A-D, Tamlo-R32抗白粉病且无生长缺陷;ETamlo-R32TaMLO-B1 Locus附近产生304Kb大片段缺失;FTaTMT3B表达调控示意图;G,基因编辑快速获得突变体小麦新种质)


 


论文链接: /articles/s41586-022-04395-9




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