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小麥抗白粉病育種取得突破基因組編輯育種優(yōu)勢彰顯

2022-02-12 10:31:03 來源：新華網(wǎng)

新華社北京2月11日電 題：小麥抗白粉病育種取得突破基因組編輯育種優(yōu)勢彰顯

新華社記者張泉

抗病性與高產(chǎn)量兼?zhèn)?，是農(nóng)業(yè)育種的一大難題。中國科學(xué)院研究團(tuán)隊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?！敝锌圃哼z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，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?！斑@成為破解MLO基因利用難題的‘金鑰匙’?！备卟氏颊f。

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)?！备卟氏颊f。

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。

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?！耙虼耍撗芯孔C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，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個月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(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，大大節(jié)省了時間和工作量。

“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?！备卟氏颊f。

“這項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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