IT之家 2 月 10 日消息，據(jù)中國科學(xué)院網(wǎng)站，2 月 9 日，我國科學(xué)家在《自然》（Nature）上，發(fā)表了題為 Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties 的研究長文，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；通過基因組編輯在主栽小麥品種中對感病基因 MLO 相關(guān)遺傳等位實現(xiàn)精準(zhǔn)操控，快速獲得廣譜抗白粉病又高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新種質(zhì)。該研究為感病基因在抗病育種中的實際應(yīng)用提供了新路徑。
據(jù)介紹，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊和微生物研究所邱金龍團(tuán)隊致力于主糧作物基因組編輯抗病育種研究。2014 年，兩個團(tuán)隊合作，在《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）上發(fā)表研究成果，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。
科研團(tuán)隊不斷探索如何在抗病育種中進(jìn)一步利用 MLO 基因，從而實現(xiàn)“魚與熊掌可以兼得”。研究在大量的基因組編輯小麥突變體中篩選獲得一個新型 mlo 突變體 Tamlo-R32。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。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。MLO 基因的功能在不同植物中是保守的，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。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，為作物抗病育種研究提供了新的理論視角。
▲ 基因組編輯介導(dǎo)染色體重排獲得抗白粉病高產(chǎn)小麥。A-D：Tamlo-R32 抗白粉病且無生長缺陷；E、Tamlo-R32 在 TaMLO-B1 附近產(chǎn)生 304Kb 大片段缺失；F、TaTMT3B 表達(dá)調(diào)控示意圖；G、利用基因組編輯快速獲得抗白粉病小麥新種質(zhì) | 圖源：中國科學(xué)院網(wǎng)站
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 個月便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。
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