我国科学家重要突破:基因编辑小麦登上《自然》

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发布时间:2022-02-12 09:49

IT之家 2 月 10 日消息,据中国科学院网站,2 月 9 日,我国科学家在《自然》(Nature)上,发表了题为 Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties 的研究长文,阐明了小麦新型 mlo 突变体既抗白粉病又高产的分子机制;通过基因组编辑在主栽小麦品种中对感病基因 MLO 相关遗传等位实现精准操控,快速获得广谱抗白粉病又高产优质的新种质。该研究为感病基因在抗病育种中的实际应用提供了新路径。

据介绍,中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队和微生物研究所邱金龙团队致力于主粮作物基因组编辑抗病育种研究。2014 年,两个团队合作,在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)上发表研究成果,利用基因组编辑技术定向突变小麦的感病基因 MLO,获得了对白粉病具有广谱持久抗性的材料,展示了基因组编辑在复杂基因组农作物育种中的应用潜力。然而,正如在其他多种植物中观察到的表型一样,研究发现小麦 mlo 突变体表现出白粉病抗性的同时也出现了早衰、植株变矮、产量下降等负面表型,从而可能限制其在生产上的应用。

科研团队不断探索如何在抗病育种中进一步利用 MLO 基因,从而实现“鱼与熊掌可以兼得”。研究在大量的基因组编辑小麦突变体中筛选获得一个新型 mlo 突变体 Tamlo-R32。该突变体表现出对白粉菌完全的抗性,同时生长发育和产量正常。经过八年的通力合作,研究人员最终解析了小麦 Tamlo-R32 突变体表型形成的分子机制,发现在 Tamlo-R32 突变体基因组的 TaMLO-B1 位点附近存在约 304Kb 的大片段删除,染色体三维结构的改变导致上游基因 TaTMT3 的表达水平上升,进而克服了感病基因 MLO 突变引起的负面表型,最终实现了抗病和产量的双赢。MLO 基因的功能在不同植物中是保守的,研究进一步发现在模式植物拟南芥中过表达 TMT3 也能克服其 mlo 突变体的负面表型。该研究证明了叠加的遗传改变可以克服感病基因突变带来的生长缺陷,为作物抗病育种研究提供了新的理论视角。

▲ 基因组编辑介导染色体重排获得抗白粉病高产小麦。A-D:Tamlo-R32 抗白粉病且无生长缺陷;E、Tamlo-R32 在 TaMLO-B1 附近产生 304Kb 大片段缺失;F、TaTMT3B 表达调控示意图;G、利用基因组编辑快速获得抗白粉病小麦新种质 | 图源:中国科学院网站

为了将研究成果应用于抗病育种,科研人员利用传统育种方法将 Tamlo-R32 突变体与我国小麦主栽品种进行杂交,并通过几代回交将抗病优良性状引入主栽品种中。更为重要的是,研究利用 CRISPR 基因组编辑技术,可以直接在小麦主栽品种中创制相应的基因突变,仅 2-3 个月便成功在多个小麦主栽品种中获得了具有广谱白粉病抗性,且生长和产量均不受影响的小麦新种质。相比于传统育种方法,基因组编辑育种极大地缩短了育种进程。该研究是小麦抗白粉病育种的重要进展,充分展现了基因组编辑在现代农业生产中应用前景,并为培育抗病高产作物品种提供了新的策略和技术路线。

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