中国科学家实现小麦感病基因精准操控 育种既抗病又高产

中国科学家在小麦基因组编辑抗病育种研究中取得最新突破性进展——来自中国科学院的多个科研团队通过合作,阐明小麦新型mlo突变体既抗白粉病又高产的分子机制,并通过多重基因组编辑实现对小麦感病基因MLO相关遗传等位的精准操控,从而使主栽小麦品种快速获得广谱抗白粉病的优异性状。

这一利用感病基因进行植物抗病育种研究重要理论和技术突破的成果论文,由中科院遗传与发育生物学研究所(中科院遗传发育所)高彩霞团队、肖军团队和中科院微生物研究所邱金龙团队共同完成,并于北京时间2月10日凌晨在国际著名学术期刊《自然》(Nature)上线发表。

中科院遗传发育所介绍说,小麦是最重要的主粮作物之一,为超过三分之一的人口提供能量来源,其产量和品质直接关系到世界粮食安全。小麦白粉病是由真菌引起的一种世界范围内危害小麦生产的重要病害,重病田减产可达40%以上。高彩霞团队和邱金龙团队一直致力于主粮作物抗病生物技术育种的研究,这两个团队早在2014年就合作研究,利用基因组编辑技术定向突变小麦的感病基因MLO,获得对白粉病具有广谱持久抗性的材料,展示基因组编辑在复杂基因组农作物育种中巨大的应用潜力。

不过,正如在其他多种植物观察到的表型一样,研究人员也发现小麦mlo突变体表现出白粉病抗性的同时,也出现早衰、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广泛应用。

基于此,中国科学家合作研究团队一直不断探索如何在抗白粉病育种中进一步利用MLO基因,希望实现“鱼与熊掌可以兼得”。幸运的是,他们在大量的基因组编辑小麦突变体中筛选获得了一个新型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。

经过多年持续合作,在最新完成的研究中,合作团队最终解析了小麦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,最终实现抗病和产量的双赢。

合作团队指出,MLO基因的功能在不同植物中是保守的,进一步研究发现,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。因此,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,为培育抗病高产作物品种开辟了一条新的路径。

为将最新研究成果应用于抗病育种,合作团队一方面利用传统育种方法将Tamlo-R32突变体与中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,他们利用CRISPR多重基因组编辑技术,可以直接在小麦主栽品种中创制相应的基因突变,仅2-3个月就成功在多个小麦主栽品种中获得具有广谱白粉病抗性,且生长和产量均不受影响的小麦种质。相比于传统育种方法,基因组编辑育种极大缩短了育种进程。

  农业专家表示,中科院多团队合作完成的这项研究是小麦抗白粉病育种的重要进展,同时也充分展现出基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景。该研究提出的理论,既为作物抗病育种研究提供新的视角,也为培育抗病高产作物品种提供新的思路和技术路线。

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