鑒于該研究的重要性,我們特別邀請到中國工程院院士、西北農林科技大學康振生教授和中科院遺傳發育所周儉民研究員對該工作進行了點評,以饗讀者！

重要農作物基因組編輯抗病育種取得重大突破

專家點評：康振生 院士(西北農林科技大學)

小麥白粉病是由真菌(Blumeria graminis f.sp. tritici)引起的世界范圍性病害,普遍分布于各主要產麥國,給農業生產造成巨大損失。在中國,小麥白粉病每年發病面積居高不下。培育和推廣抗病新品種是防治植物病害最經濟、高效和環境友好的策略。然而,普通小麥是異源六倍體、基因組龐大,這給常規遺傳育種帶來巨大挑戰。抗性基因(R gene)在小麥抗病育種中發揮著重要作用,但隨著白粉菌新生理小種的出現,從而導致抗性喪失。所以,培育廣譜持久抗白粉病小麥品種尤為重要。

中國科學院高彩霞團隊和邱金龍團隊前期合作(Nature Biotechnology, 2014),利用基因組編輯技術實現了六倍體小麥中高度同源的3個白粉菌抗性位點(MLO)基因的同時定向突變,創制出對白粉病具有廣譜抗性的小麥新種質,展示了基因組編輯改良多倍體復雜基因組農作物的優勢和潛力。該工作也進一步證明了突變感病基因是培育廣譜持久抗性的一條重要途徑。然而,感病基因MLO的突變具有多效性,小麥mlo突變體株高和產量降低。正是因為感病基因具有重要的生理功能,突變的負面效應嚴重限制了其在抗病育種中廣泛應用,科學家和育種學家多年來一直在尋找這一難題的破解之道。

高彩霞團隊、邱金龍團隊和肖軍團隊最新的研究工作實現了利用植物感病基因進行抗病育種的重要理論和技術突破。他們通過篩選基因組編輯小麥突變群體,發現了一個新型mlo突變體Tamlo-R32。該突變體在表現出對白粉菌的完全抗性的同時,株高和產量與野生型無異。基于遺傳分析和基因組重測序,發現Tamlo-R32突變體中除TaMLO-A1和TaMLO-D1基因發生編輯外,在TaMLO-B1基因座附近存在約304Kb的大片段刪除。刪除導致該區域的染色質狀態發生改變,激活TaTMT3B基因的表達。進一步通過基因敲除和過表達,證明TaTMT3B的異位表達拯救了Tamlo-R32突變體的生長缺陷。有趣的是, AtTMT3的過表達也能恢復擬南芥mlo突變體的早衰表型,表明TMT3基因功能上的保守性。該研究團隊進一步通過對我國數個小麥主栽品種的基因組編輯,快速精準地獲得了既抗白粉病、又高產優質的新種質,顯著地縮短了育種年限,展現了基因組編輯在作物分子設計育種中的巨大潛力。

該研究證明了感病基因突變造成的生長缺陷可以通過基因組上的其它遺傳改變來彌補,為利用感病基因進行抗病育種提供了新的理論基礎。通過基因組編輯快速創制出廣譜持久抗白粉病且高產小麥新種質,驗證了基因組編輯技術的發展對作物性狀的改良具有重大的推動作用,尤其對經典遺傳改造難以實施的多倍體復雜基因組農作物的改良,對保障糧食安全具有重大意義。我相信這一具有重要理論與實際應用價值的研究工作將成為作物育種領域標志性的成果。

雙管齊下--小麥基因組編輯破解抗病不高產難題

專家點評：周儉民 研究員(中科院遺傳發育所)

作物病害是農業生產中的重大制約因素,嚴重威脅我國糧食安全。傳統抗病育種主要依賴抗病基因,不僅周期長、抗譜窄,還受到高產不抗病、抗病不高產、以及病原變異帶來的抗性迅速喪失等諸多問題的困擾。如何利用植物-病原微生物互作的新理論和先進生物技術,快速創制抗病高產新品種,是擺在育種家和植物生物學家面前的難題。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊與微生物研究所的邱金龍團隊合作,最近在這一方向取得重大突破,利用基因組編輯技術,同時編輯“感病基因”和染色體三維結構,成功獲得了廣譜抗白粉病 (Blumeria graminis f.sp. tritici) 并且高產的小麥新品系,實現了“魚和熊掌兼得”的目標,為作物抗病育種提供了一個范例。

形形色色的效應蛋白,是病原微生物的重要毒性因子,它們通過攻擊或操縱植物中的特定靶蛋白,實現對宿主植物的侵害。過去20年來,植物病理學家認識到,編碼其中一些靶蛋白的植物基因,對病害的發生不可或缺,因此被稱為“感病基因” (Yang et al., 2006)。當“感病基因”發生突變時,往往導致病原微生物侵染能力下降,植物表現出“抗病”。這為抗病遺傳改良提供了新的途徑。一個典型的感病基因是MLO。多年前德國學者Schulze-Lefert從一個廣譜抗白粉病的大麥材料中,首次分離鑒定到了其抗病基因MLO,發現是由MLO功能缺失突變導致 (Büschges et al., 1997)。MLO家族蛋白是一類含七次跨膜基序的蛋白,其生化功能未知。后人發現,植物中的MLO常常受到病原菌效應蛋白的攻擊,因此MLO是一個典型的“感病基因”。利用基因編輯突變MLO, 成為小麥抗白粉病生物技術育種一個有效的策略。

早在2014年,高彩霞和邱金龍合作團隊就利用基因組編輯技術,在六倍體小麥中同時敲除了A、B、D三個基因組中的MLO基因,獲得了廣譜高抗白粉病的六倍體小麥材料Tamlo(Wang et al., 2014),成為基因編輯育種的一個典范。但是,MLO基因突變后的小麥,植株生長和產量均受到了負面影響,這大大限制了這一優異抗病材料在生產中的推廣。為打破抗病不高產這一魔咒,高彩霞和邱金龍團隊并未放棄。他們在眾多的mlo基因編輯材料中發現了一個生長和產量不受影響的株系Tamlo-R32,為破解高產和抗病的矛盾帶來了契機。他們發現,Tamlo-R32中除了mlo突變之外,還缺失了MLO-B1臨近304 kb的一個染色體片段。進一步通過染色體三維空間圖繪制和轉錄組分析發現,這一片段的缺失導致染色體三維空間重排,其上游的一個編碼液泡膜單糖轉運基因TaTMT3得以顯著上調。后續反向遺傳實驗表明,正是TaTMT3的上調導致了Tamlo-R32材料生長和產量的恢復。通過雜交和多代回交,將這一大片段缺失突變和MLO突變一起導入優良小麥品種中,獲得了既抗病又高產的小麥品系。基于這些重要發現,團隊利用CRSPR編輯技術,同時對優異小麥品種中的相應染色體片段和三個MLO基因進行編輯,實現了抗白粉病且高產新品系的快速創制。

小麥白粉病是小麥生產中的重大病害之一,長期威脅小麥穩產。利用新興的基因編輯技術,快速創制廣譜抗白粉病且高產的小麥優異新品系,令人振奮。這一重大突破的實現絕非偶然。高彩霞團隊多年來長期耕耘在植物基因組編輯新技術研究以及在重要作物育種中的應用,取得了一系列突破。小麥抗白粉病高產品系編輯技術的建立,使我國在農作物基因組編輯育種產業化道路上邁出了重要的一步。