抗病性與高產(chǎn)量兼?zhèn)洌寝r(nóng)業(yè)育種的一大難題。中國科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)日前成功破解了小麥既抗白粉病又確保生長和產(chǎn)量正常的基因奧秘，并使主栽小麥品種快速獲得廣譜抗白粉病的優(yōu)異性狀。

這一成果10日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。該成果是如何取得的？背后的科學(xué)機(jī)理是什么？基因組編輯育種彰顯出怎樣的優(yōu)勢？新華社記者采訪了研究團(tuán)隊(duì)成員。

尋找“魚與熊掌兼得”的“金鑰匙”

小麥白粉病是由真菌引起的一種世界范圍內(nèi)危害小麥生產(chǎn)的重要病害，重病田減產(chǎn)可達(dá)40%以上。培育抗白粉病的小麥品種，對于維護(hù)世界糧食安全具有重要意義。

然而，受限于自然法則，農(nóng)作物抗病性與高產(chǎn)量往往難以兼得。

“這反映了病原菌的狡猾。”中科院遺傳發(fā)育所研究員高彩霞介紹，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，但往往也會(huì)給植物生長發(fā)育帶來多種負(fù)面效應(yīng)，這一特性極大限制了感病基因在植物抗病育種中的應(yīng)用。

早在2014年，中科院研究團(tuán)隊(duì)就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，但該小麥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。

此后，研究團(tuán)隊(duì)一直不斷探索如何在抗白粉病育種中進(jìn)一步利用MLO基因，從而實(shí)現(xiàn)“魚與熊掌兼得”。

終于，他們在大量的基因組編輯小麥突變體中篩選獲得了一個(gè)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(shí)生長發(fā)育和產(chǎn)量正常。“這成為破解MLO基因利用難題的‘金鑰匙’。”高彩霞說。

揭開關(guān)鍵突變體的“神秘面紗”

找到了“金鑰匙”，接下來就要揭開Tamlo-R32的“神秘面紗”，闡明其分子機(jī)制。

然而，這并非易事。

“普通小麥基因組十分龐大，是人類基因組的5倍，水稻基因組的40倍。其序列重復(fù)性相當(dāng)高，基因組結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，這為解析Tamlo-R32突變體的分子機(jī)制帶來了極大挑戰(zhàn)。”高彩霞說。

經(jīng)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(jī)制。

研究人員發(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。

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。“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(chǎn)作物品種開辟了一條新的路徑。”高彩霞說。

基因組編輯育種優(yōu)勢彰顯

為了將研究成果應(yīng)用于抗病育種，研究人員利用傳統(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。

與此同時(shí)，研究人員利用CRISPR多重基因組編輯技術(shù)，直接在小麥主栽品種中創(chuàng)制相應(yīng)的基因突變，僅2至3個(gè)月就成功在多個(gè)小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性，且生長和產(chǎn)量均不受影響的小麥種質(zhì)。

“相比于傳統(tǒng)育種方法，基因組編輯育種極大縮短了育種進(jìn)程。”高彩霞介紹，基因組編輯育種能夠進(jìn)行精準(zhǔn)定向操作，從而規(guī)避了傳統(tǒng)育種方法盲目性和隨機(jī)性的缺點(diǎn)，大大節(jié)省了時(shí)間和工作量。

“伴隨著全球氣候變化、耕作制度改變以及種植品種單一化等多種因素的疊加，植物病害更加頻繁地發(fā)生，選育和推廣抗病新品種是防治病害經(jīng)濟(jì)、有效和環(huán)境友好的策略。”高彩霞說。

“這項(xiàng)研究是小麥抗白粉病育種的重要進(jìn)展，也為培育抗病高產(chǎn)作物品種提供了新的思路和技術(shù)路線，同時(shí)也充分展現(xiàn)出基因組編輯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中巨大的應(yīng)用前景。”中國工程院院士康振生說。

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