通過(guò)“基因疊加技術(shù)”增強(qiáng)小麥抗銹病能力

（2021.1.30 國(guó)科農(nóng)研院）

澳大利亞國(guó)家科學(xué)機(jī)構(gòu)CSIRO的研究人員領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)國(guó)際項(xiàng)目，旨在通過(guò)將抗性基因“疊加”在一起，開(kāi)發(fā)出具有更強(qiáng)、更持久的抗銹病新型小麥品種?！盎虔B加”技術(shù)改變了常規(guī)育種中逐一添加抗性基因的方法，這相對(duì)于常規(guī)小麥育種方案來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重大進(jìn)步。研究人員開(kāi)發(fā)了新的基因技術(shù)，可以將五種不同的小麥抗性基因結(jié)合并同時(shí)整合到小麥基因組中。相關(guān)的研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然-生物技術(shù)》雜志上，并且根據(jù)發(fā)表的結(jié)果來(lái)看這種整合有效的防止了整合基因在植物繁育過(guò)程中的分離。

CSIRO首席研究員Mick Ayliffe博士表示，這種整合技術(shù)就相當(dāng)于在門(mén)上放五把鎖，只擁有其中一把鑰匙時(shí)，您很難成功進(jìn)入。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也表明，基因疊加技術(shù)研發(fā)的小麥品種具有良好的應(yīng)對(duì)多種銹病的能力。

在世界范圍內(nèi)，人們通過(guò)小麥攝入的熱量約為總攝入熱量的20%，這也使得保護(hù)小麥作物對(duì)世界糧食安全至關(guān)重要，除小麥之外，銹病對(duì)大麥，燕麥，黑麥和黑小麥等作物也具有明顯的致病作用。銹病在世界各地都是一個(gè)重大難題，因此世界各地的科學(xué)家們協(xié)調(diào)合作，共同應(yīng)對(duì)。來(lái)自澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織，明尼蘇達(dá)大學(xué)，奧爾胡斯大學(xué)，約翰·英內(nèi)斯中心，美國(guó)農(nóng)業(yè)部，新疆大學(xué)的研究人員組成了團(tuán)隊(duì)進(jìn)行國(guó)際合作，專(zhuān)門(mén)攻克銹病的難題。

約翰英納斯中心的布蘭德·伍爾夫博士說(shuō)到，目前已經(jīng)利用MutRenSeq技術(shù)克隆了五個(gè)抗性基因中的兩個(gè)，證明了這一技術(shù)的可行性。對(duì)于應(yīng)對(duì)新的銹病流行，除了傳統(tǒng)的方式之外也多了一種替代方案，同時(shí)也可以讓轉(zhuǎn)基因作物的反對(duì)者看到這一技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從而增加人們對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)好感。目前正在開(kāi)發(fā)的小麥基因疊加技術(shù)，是基于基因組編輯工具生產(chǎn)的不含基因修飾的作物品種，這些作物在美國(guó)等國(guó)家可能被視為非轉(zhuǎn)基因作物。

小麥莖稈銹病在英國(guó)是一種歷史悠久的病害，距離上一次銹病的爆發(fā)已經(jīng)過(guò)去了60多年，但由于氣候變化及現(xiàn)代小麥品種對(duì)銹病的抗性缺乏，導(dǎo)致病害卷土重來(lái)。小麥銹病可以迅速變異，這使得小麥育種者很難用傳統(tǒng)育種方法迅速做出反應(yīng)。但是，在一個(gè)基因庫(kù)中編譯多個(gè)抗性基因可以加強(qiáng)小麥的防御能力，并且更加高效。

Ayliffe博士說(shuō)，這項(xiàng)研究目前針對(duì)的是莖銹病，但該技術(shù)也可以用于培育抗條銹病和葉銹病等品種，并可以在現(xiàn)有的不同小麥品種中增強(qiáng)銹病抗性。還不清楚這種新的基因疊加技術(shù)的上限。目前擁的最大的是含有8個(gè)抗性基因的疊加，可能提供更多的抗銹病保護(hù)。目前對(duì)于小麥及其野生親緣植株的抗病基因的發(fā)掘和克隆也取得了較大進(jìn)展，主要的技術(shù)包括：

MutRenSeq

結(jié)合誘變和抗性基因富集測(cè)序（RenSeq），這項(xiàng)技術(shù)可以定位細(xì)胞內(nèi)的免疫受體，從而降低小麥基因組測(cè)序的成本。在小麥中，有超過(guò)3000個(gè)免疫受體基因。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)使得科學(xué)家快速克隆了抗莖銹病基因Sr22、Sr45、Sr26、Sr60和抗條銹病基因Yr5a、Yr5b、Yr7。

MutChromSeq

另一種降低小麥基因組復(fù)雜性的方法是將該基因映射到其21條染色體中的一條上。由于染色體流分類(lèi)和純化技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)在幾乎可以對(duì)任何小麥品種的單個(gè)染色體進(jìn)行排序。通過(guò)誘變與染色體流分選（MutChromSeq）相結(jié)合，分離出小麥抗白粉病基因Pm2。

AgRenSeq

該技術(shù)使用自然狀態(tài)下的遺傳結(jié)構(gòu)，即重新組合和突變，這在一個(gè)小麥的野生群體中積累了數(shù)千年，從而繞過(guò)了生成所需要的遺傳結(jié)構(gòu)的過(guò)程，如MutRenSeq或MutChromSeq。AgRenSeq需要一個(gè)遺傳多樣性的面板，其次是RenSeq和表型。這項(xiàng)技術(shù)將發(fā)現(xiàn)和克隆結(jié)合在一起，大大減少了克隆抗病基因的時(shí)間線(xiàn)和成本。一旦一個(gè)面板被序列配置和擴(kuò)大，它可以一次又一次地用于對(duì)抗不同的病原體和病原體分離物。通過(guò)AgRenSeq技術(shù)迅速完成了Sr46的克隆和SrTA1662候選基因的鑒定（Arora et al.2019）。

改進(jìn)的小麥基因組組裝技術(shù)和小麥轉(zhuǎn)化方法很可能在未來(lái)2-4年內(nèi)顯著降低研究障礙。這將為生產(chǎn)和測(cè)試多抗性轉(zhuǎn)基因作物提供原料，這些轉(zhuǎn)基因作物不僅可以對(duì)抗莖銹病，還可以對(duì)抗小麥和其他重要作物的許多其他主要病害。