科研人员用两层“基因剪刀”完成小麦突破性抗病高产育种丨《天然》

liukang20241个月前 (04-23)热心吃瓜69

本文转自：中科院之声

时隔八年，曾广受重视的小麦白粉病“缉凶案”总算迎来了跋文。

中科院遗传发育所高彩霞团队和中科院微生物所邱金龙团队用多重“基因剪刀”，完结了对小麦重要感病基因序列的精准控制，获得了既高抗白粉病又高产的新资料。这项研讨2月10日清晨宣布于《天然》。它意味着，声称小麦三大病害之一的白粉病总算被我国科学家“拿下”。

“这一具有重要理论与实践运用价值的研讨作业，将成为作物育种范畴标志性的效果。”西北农林科技大学康振生院士对此谈论说，它展示了基因组修改在作物分子规划育种中的巨大潜力，对保证粮食安全具有严重意义。

“另一只靴子”落地

白粉病是广泛影响小麦产值的三大病害之一。据农业乡村部计算，我国每年受白粉病影响的小麦面积抵达1亿亩左右，沉痾田乃至会减产40%。将这一严重要挟粮食安全的真菌“缉拿归案”，是许多育种专家的愿望。

小麦三大病害趋势图，图中可见小麦白粉病发病面积居高不下。作者供图

现在，分子育种家们都是通过抗性基因反抗白粉病。但就像病毒防备相同，这种途径不具有广谱性和耐久性，很简单跟着白粉病新小种的呈现而失掉功效。

病原菌的成功侵染需求运用植物感病基因，能否通过阻断这个病害与植物衔接的“桥梁”来获得广谱耐久的抗性呢？长期以来，这是科学界一个可望而不可及的愿望。

“感病基因的骤变一般能够赋予植物广谱耐久的抗病性，但它往往具有重要的生理功能，其骤变会给植物成长发育带来多种负面效应。”论文榜首作者、邱金龙团队助理研讨员李盛楠向记者解说，这进一步反映了病原菌的“奸刁”，极大地约束了感病基因在植物抗病育种中的运用。

李盛楠相片。受访者供图

不过，高彩霞团队与邱金龙团队将两边在基因修改和抗病研讨方面的优势相结合，挑选了运用植物抗病的新理论和先进生物技能去霸占摆在育种家和植物生物学家面前的难题。

科学家很早就知道MLO是小麦的感病基因，但因为一般小麦是异源六倍体，MLO基因有3个复制，通过天然骤变办法一起敲除这三个基因几乎不或许发生。2014年，协作团队运用“基因剪刀”定向敲除MLO的三个复制，果然如此地获得了对白粉病具有广谱耐久抗性的小麦新资料。

相关研讨在《天然—生物技能》宣布后在全世界范围内获得极大重视。该研讨当选该刊创刊20周年最具有影响力的20篇文章，并被《麻省理工科技谈论》称为“全球十大技能打破之一”。高彩霞也因引领了植物基因组修改的浪潮，当选《天然》2016年度“十位我国科学之星”。

不过，这个故事还有另一半——正如在其他多种植物中观察到的相同，研讨团队也发现敲除感病基因MLO的小麦呈现了必定程度的负面表型，如早衰、植株变矮、产值下降等，约束了其在生产上的广泛运用。但是，研讨团队挑选知难而进。

走运总是眷顾尽力的人，在其时敲除MLO后得到的100多个基因组修改小麦骤变体中，他们发现了一个“宝物”资料——骤变体Tamlo-R32。它在表现出对白粉菌抗性的一起，成长发育和产值彻底正常。

这个异乎寻常的资料让高彩霞深信，感病基因骤变抗病并非“死胡同”，“沿着这条路走必定能够做成”。

现在，通过八年协力攻关，“另一只靴子”总算落地。在宣布于《天然》的新研讨中，他们解开了Tamlo-R32骤变背面的隐秘，战胜了感病基因MLO骤变引起的负面表型，完结了抗病高产“鱼与熊掌”的兼得。

层层推进破悬疑

在敲除MLO得到的许多骤变体中，Tamlo-R32为何鹤立鸡群？这个产值乃至超越一般野生型小麦的资料是怎样呈现的？怎么通过基因组修改完结它并将其导入小麦主栽种类中？

2014年之后，环绕Tamlo-R32这个“主角”的系列悬疑，成为高彩霞和协作者迫切要破解的谜题。

这并不简单。

一般小麦基因组十分巨大，是人类基因组的5倍，水稻基因组的40倍。其序列重复性适当高，基因组结构极为杂乱，这为揭开形成Tamlo-R32骤变体的奥妙带来了极大应战。

一开始，因为小麦基因组数据并不完善，研讨团队只能通过一系列绵长的传统遗传学实验进行剖析，这让他们确定在小麦三个染色体组A、B、D中，A和D基因组上都存在预期的骤变。

“但假如只需这两个基因组发生改动，还不足以反抗白粉病，所以B基因组上必定也有问题。”高彩霞说，受限于其时的基因组数据，研讨团队在这个问题上探究了四年一直未能窥见其要害。

直到2018年，凭借新完结的小麦基因组重测序数据和染色体精密图谱，这个“暗箱”总算被打开了。

让高彩霞和协作者吃惊的是，Tamlo-R32骤变体的B基因组上居然发生了高达304Kb（超越30万DNA字母）的大片段删去——这导致该骤变体的染色体三维结构被改动，使上游基因TaTMT3（与糖转运蛋白相关）表达水平上升，然后战胜了感病基因MLO骤变引起的负面表型，终究完结了抗病和产值的双赢。

野生型、Tamlo-R32骤变体和敲除MLO感病基因小麦的比照图。左图为野生型，其间TaTMT3表达遭到按捺；右图为Tamlo-R32骤变体，删去304Kb大片段基因组后，TaTMT3的表达被激活。作者供图

悬疑破解了，但要准确完结304Kb这一大的基因组片段剪切，并非易事。“这要求‘剪刀’的功率要特别高。”高彩霞对记者说，抗白粉病基因修改研讨十年来，现在已具有7项核心技能专利，研讨团队还创始了一系列基因组修改新技能。

正是根据这些核心技能，研讨组通过叠加运用“基因剪刀”，在敲除MLO感病基因的一起，删去了TaMLO-B邻近的大片段DNA，然后完结了将这一抗病高产优异性状引进到我国多个小麦主栽种类中。

因为MLO的基因功能在不同植物中相对保存。研讨者进一步发现，在形式植物拟南芥中过表达TMT3也能战胜其感病基因骤变发生的负面表型。“这证明了叠加的遗传改动能够战胜感病基因骤变带来的成长缺点，为作物抗病育种研讨供给了新的理论视角。”李盛楠说。

至此，研讨团队总算讲完了运用感病基因进行小麦抗病育种的故事。回忆其间的应战，高彩霞有些风轻云淡地说：“咱们知路途就在那里，只需持之以恒就必定能够抵达。”

她特别强调李盛楠在此进程中的支付：“他真的是在辛勤耕耘。同一个实验室的其他人现已发了许多文章，当了教授。这项研讨他从博士后做到助理研讨员，一直在坚持做。”

功夫不负有心人。这个历经“八年抗战”获得的研讨效果获得了审稿人的共同好评。多位审稿人表明这项研讨“令人兴奋”、“具有很大运用潜力”。其间一位审稿人指出：“这项作业代表了在探究没有负面效应影响的抗病小麦中向前迈出的重要一步。”

高彩霞相片。受访者供图

引领下一代育种

用近八年时刻“死磕”基础研讨，高彩霞与协作者的意图很清晰：走向基因组修改的运用，让白粉病不再成为小麦的要挟。

“基因组修改的一个长处是能够更便利、方便、精准地进行作物育种和改进。”李盛楠说，研讨团队用了数年时刻了解Tamlo-R32的骤变机制，但仅用了几个月就用基因组修改技能在多个小麦主栽种类中获得了抗病且高产的种质资源。而传统杂交育种则需求五六年的时刻。

在2019年和2020年于北京和河北赵县进行的大田实验中，联合团队进一步证明了新种质资源的可靠性：惯例MLO骤变体形成的株高矮化在10%左右，产值下降16%左右；而新骤变体具有超出或至少坚持与亲本共同的产值。

“培养和推行抗病新种类是防治植物病害最经济、高效和环境友好的战略。”康振生院士谈论说，“这项研讨验证了基因组修改技能的开展对作物性状的改进具有严重的推进效果，特别对经典遗传改造难以施行的多倍体杂乱基因组农作物的改进，对保证粮食安全具有严重意义。”

“和传统育种技能比较，基因组修改育种的优势十分显着。”高彩霞比照说，传统杂交育种要引进一个抗病基因，需求进行6~8代的回交，整个进程十分绵长，并且其条件是杂交的亲本种要有抗病基因。通过骤变育种（辐射、化学诱变等办法）具有盲目性和随机性，找到抱负的骤变体无异于难如登天。而基因组修改为精准定向育种供给了或许。

“通过基因组修改能够不增加任何外源性的基因，只需求把靶向的序列修改好，大大节省了时刻和作业量。”她弥补说。

事实上，高彩霞指出，基因组修改技能通过10年的开展现已不仅仅是“一把剪刀”的概念。进化至“2.0年代”的碱基修改和引导修改还能够是一块“橡皮”或一支“铅笔”。

“假如一个序列有点多，你能够把它剪掉；假如组成DNA的四个字母ATCG有一个错了，你能够像用一个‘橡皮擦’把它擦掉，然后用‘铅笔’写入正确字母，而‘铅笔’、‘橡皮擦’是不留在细胞里的。”她比方说。

好消息是，本年1月底农业乡村部拟定发布了《农业用基因修改植物安全点评攻略（试行）》，进一步标准了农业基因修改植物的安全点评办理，促进我国生物育种技能和工业开展。“在这个方针的鼓动和鞭笞下，信任我国会有更多的基因组修改资料很快进入到田间和商场。”高彩霞表明，下一步将深入开展小麦白粉病新种质资源的开发和推行运用。

相关论文信息：DOI: 10.1038/s41586-022-04395-9

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