鉴于该研究的重要性,我们特别邀请到中国工程院院士、西北农林科技大学康振生教授和中科院遗传发育所周俭民研究员对该工作进行了点评,以飨读者！
重要农作物基因组编辑抗病育种取得重大突破
专家点评：康振生 院士(西北农林科技大学)
小麦白粉病是由真菌(Blumeria graminis f.sp. tritici)引起的世界范围性病害,普遍分布于各主要产麦国,给农业生产造成巨大损失。在中国,小麦白粉病每年发病面积居高不下。培育和推广抗病新品种是防治植物病害最经济、高效和环境友好的策略。然而,普通小麦是异源六倍体、基因组庞大,这给常规遗传育种带来巨大挑战。抗性基因(R gene)在小麦抗病育种中发挥着重要作用,但随着白粉菌新生理小种的出现,从而导致抗性丧失。所以,培育广谱持久抗白粉病小麦品种尤为重要。
中国科学院高彩霞团队和邱金龙团队前期合作(Nature Biotechnology, 2014),利用基因组编辑技术实现了六倍体小麦中高度同源的3个白粉菌抗性位点(MLO)基因的同时定向突变,创制出对白粉病具有广谱抗性的小麦新种质,展示了基因组编辑改良多倍体复杂基因组农作物的优势和潜力。该工作也进一步证明了突变感病基因是培育广谱持久抗性的一条重要途径。然而,感病基因MLO的突变具有多效性,小麦mlo突变体株高和产量降低。正是因为感病基因具有重要的生理功能,突变的负面效应严重限制了其在抗病育种中广泛应用,科学家和育种学家多年来一直在寻找这一难题的破解之道。
高彩霞团队、邱金龙团队和肖军团队最新的研究工作实现了利用植物感病基因进行抗病育种的重要理论和技术突破。他们通过筛选基因组编辑小麦突变群体,发现了一个新型mlo突变体Tamlo-R32。该突变体在表现出对白粉菌的完全抗性的同时,株高和产量与野生型无异。基于遗传分析和基因组重测序,发现Tamlo-R32突变体中除TaMLO-A1和TaMLO-D1基因发生编辑外,在TaMLO-B1基因座附近存在约304Kb的大片段删除。删除导致该区域的染色质状态发生改变,激活TaTMT3B基因的表达。进一步通过基因敲除和过表达,证明TaTMT3B的异位表达拯救了Tamlo-R32突变体的生长缺陷。有趣的是, AtTMT3的过表达也能恢复拟南芥mlo突变体的早衰表型,表明TMT3基因功能上的保守性。该研究团队进一步通过对我国数个小麦主栽品种的基因组编辑,快速精准地获得了既抗白粉病、又高产优质的新种质,显著地缩短了育种年限,展现了基因组编辑在作物分子设计育种中的巨大潜力。
该研究证明了感病基因突变造成的生长缺陷可以通过基因组上的其它遗传改变来弥补,为利用感病基因进行抗病育种提供了新的理论基础。通过基因组编辑快速创制出广谱持久抗白粉病且高产小麦新种质,验证了基因组编辑技术的发展对作物性状的改良具有重大的推动作用,尤其对经典遗传改造难以实施的多倍体复杂基因组农作物的改良,对保障粮食安全具有重大意义。我相信这一具有重要理论与实际应用价值的研究工作将成为作物育种领域标志性的成果。
双管齐下--小麦基因组编辑破解抗病不高产难题
专家点评：周俭民 研究员(中科院遗传发育所)
作物病害是农业生产中的重大制约因素,严重威胁我国粮食安全。传统抗病育种主要依赖抗病基因,不仅周期长、抗谱窄,还受到高产不抗病、抗病不高产、以及病原变异带来的抗性迅速丧失等诸多问题的困扰。如何利用植物-病原微生物互作的新理论和先进生物技术,快速创制抗病高产新品种,是摆在育种家和植物生物学家面前的难题。
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队与微生物研究所的邱金龙团队合作,最近在这一方向取得重大突破,利用基因组编辑技术,同时编辑“感病基因”和染色体三维结构,成功获得了广谱抗白粉病 (Blumeria graminis f.sp. tritici) 并且高产的小麦新品系,实现了“鱼和熊掌兼得”的目标,为作物抗病育种提供了一个范例。
形形色色的效应蛋白,是病原微生物的重要毒性因子,它们通过攻击或操纵植物中的特定靶蛋白,实现对宿主植物的侵害。过去20年来,植物病理学家认识到,编码其中一些靶蛋白的植物基因,对病害的发生不可或缺,因此被称为“感病基因” (Yang et al., 2006)。当“感病基因”发生突变时,往往导致病原微生物侵染能力下降,植物表现出“抗病”。这为抗病遗传改良提供了新的途径。一个典型的感病基因是MLO。多年前德国学者Schulze-Lefert从一个广谱抗白粉病的大麦材料中,首次分离鉴定到了其抗病基因MLO,发现是由MLO功能缺失突变导致 (Büschges et al., 1997)。MLO家族蛋白是一类含七次跨膜基序的蛋白,其生化功能未知。后人发现,植物中的MLO常常受到病原菌效应蛋白的攻击,因此MLO是一个典型的“感病基因”。利用基因编辑突变MLO, 成为小麦抗白粉病生物技术育种一个有效的策略。
早在2014年,高彩霞和邱金龙合作团队就利用基因组编辑技术,在六倍体小麦中同时敲除了A、B、D三个基因组中的MLO基因,获得了广谱高抗白粉病的六倍体小麦材料Tamlo(Wang et al., 2014),成为基因编辑育种的一个典范。但是,MLO基因突变后的小麦,植株生长和产量均受到了负面影响,这大大限制了这一优异抗病材料在生产中的推广。为打破抗病不高产这一魔咒,高彩霞和邱金龙团队并未放弃。他们在众多的mlo基因编辑材料中发现了一个生长和产量不受影响的株系Tamlo-R32,为破解高产和抗病的矛盾带来了契机。他们发现,Tamlo-R32中除了mlo突变之外,还缺失了MLO-B1临近304 kb的一个染色体片段。进一步通过染色体三维空间图绘制和转录组分析发现,这一片段的缺失导致染色体三维空间重排,其上游的一个编码液泡膜单糖转运基因TaTMT3得以显著上调。后续反向遗传实验表明,正是TaTMT3的上调导致了Tamlo-R32材料生长和产量的恢复。通过杂交和多代回交,将这一大片段缺失突变和MLO突变一起导入优良小麦品种中,获得了既抗病又高产的小麦品系。基于这些重要发现,团队利用CRSPR编辑技术,同时对优异小麦品种中的相应染色体片段和三个MLO基因进行编辑,实现了抗白粉病且高产新品系的快速创制。
小麦白粉病是小麦生产中的重大病害之一,长期威胁小麦稳产。利用新兴的基因编辑技术,快速创制广谱抗白粉病且高产的小麦优异新品系,令人振奋。这一重大突破的实现绝非偶然。高彩霞团队多年来长期耕耘在植物基因组编辑新技术研究以及在重要作物育种中的应用,取得了一系列突破。小麦抗白粉病高产品系编辑技术的建立,使我国在农作物基因组编辑育种产业化道路上迈出了重要的一步。