多重基因剪刀“拿下”小麥白粉病實(shí)現(xiàn)抗病高產(chǎn)育種

馮麗妃

時(shí)隔八年，曾廣受關(guān)注的小麥白粉病“緝兇案”終于迎來(lái)了續(xù)篇。

中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員高彩霞團(tuán)隊(duì)和中科院微生物研究所研究員邱金龍團(tuán)隊(duì)用多重“基因剪刀”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥重要感病基因序列的精準(zhǔn)操控，獲得了既高抗白粉病又高產(chǎn)的新材料。相關(guān)研究2月10日發(fā)表于《自然》。這意味著，號(hào)稱小麥三大病害之一的白粉病終于被我國(guó)科學(xué)家“拿下”。

“這一具有重要理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究工作，將成為作物育種領(lǐng)域標(biāo)志性的成果?！敝袊?guó)工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)康振生對(duì)此評(píng)論說(shuō)，它展現(xiàn)了基因組編輯在作物分子設(shè)計(jì)育種中的巨大潛力，對(duì)保障糧食安全具有重大意義。

據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年受白粉病影響的小麥面積達(dá)到1億畝左右，重病田甚至?xí)p產(chǎn)40%。將這一嚴(yán)重威脅糧食安全的真菌“緝拿歸案”，是很多育種專家的夢(mèng)想。

病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，能否通過阻斷這個(gè)病害與植物連接的“橋梁”來(lái)獲得廣譜持久的抗性呢？

這是科學(xué)家想做但又不敢去做的一件事，因?yàn)楦胁』虻那贸哂袃擅嫘裕嚎共〉耐瑫r(shí)，也會(huì)影響植物生長(zhǎng)。

科學(xué)家很早就知道MLO是小麥的感病基因，但由于普通小麥?zhǔn)钱愒戳扼w，MLO基因有3個(gè)拷貝，幾乎不可能通過天然突變方式同時(shí)敲除這3個(gè)基因。2014年，合作團(tuán)隊(duì)利用“基因剪刀”定向敲除MLO的3個(gè)拷貝，不出所料地獲得了對(duì)白粉病具有廣譜持久抗性的小麥新材料。

相關(guān)研究在《自然—生物技術(shù)》發(fā)表后引起了世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注。該研究入選了該刊創(chuàng)刊20周年最具影響力的20篇文章，并入選《麻省理工科技評(píng)論》2016年“全球十大技術(shù)突破”。高彩霞也因引領(lǐng)了植物基因組編輯的浪潮，入選《自然》2016年度“十位中國(guó)科學(xué)之星”。

不過，這個(gè)故事還有后續(xù)——正如在其他多種植物中觀察到的一樣，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)敲除感病基因MLO的小麥出現(xiàn)了一定程度的負(fù)面表型，如早衰、植株變矮、產(chǎn)量下降等，限制了其在生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)選擇迎難而上。

在當(dāng)時(shí)敲除MLO后得到的100多個(gè)基因組編輯小麥突變體中，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“寶貝”材料——突變體Tamlo-R32。它在表現(xiàn)出對(duì)白粉菌的抗性的同時(shí)，生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量完全正常。

這個(gè)與眾不同的材料讓高彩霞堅(jiān)信，感病基因突變抗病并非“死胡同”，“沿著這條路走一定能夠做成”。

現(xiàn)在，經(jīng)過八年協(xié)力攻關(guān)，“另一只靴子”終于落地。在發(fā)表于《自然》的新研究中，他們解開了Tamlo-R32突變背后的秘密，克服了感病基因MLO突變引起的負(fù)面表型，實(shí)現(xiàn)了抗病高產(chǎn)“魚與熊掌”的兼得。

在敲除MLO得到的大量突變體中，Tamlo-R32為何一枝獨(dú)秀？這個(gè)產(chǎn)量甚至超過普通野生型小麥的材料是怎么出現(xiàn)的？如何通過基因組編輯獲得該突變體并將其導(dǎo)入小麥主栽品種中？

2014年之后，圍繞Tamlo-R32這個(gè)“主角”的系列懸疑，成為高彩霞和合作者要破解的謎題。

普通小麥基因組十分龐大，是人類基因組的5倍、水稻基因組的40倍。其序列重復(fù)性相當(dāng)高，基因組結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。

一開始，由于小麥基因組數(shù)據(jù)并不完善，研究團(tuán)隊(duì)只能通過一系列漫長(zhǎng)的傳統(tǒng)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，最終確定在小麥3個(gè)染色體組A、B、D中，A和D基因組上都存在預(yù)期的突變。

“只有這兩個(gè)基因組發(fā)生改變，還不足以抵抗白粉病，所以B基因組上一定有問題?！备卟氏颊f(shuō)，受限于當(dāng)時(shí)的基因組數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)問題上探索了4年始終未能解決。

直到2018年，借助新完成的小麥基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)和染色體精細(xì)圖譜，這個(gè)“暗箱”終于被打開了。

讓研究團(tuán)隊(duì)吃驚的是，Tamlo-R32突變體的B基因組上竟然發(fā)生了高達(dá)304Kb（超過30萬(wàn)DNA字母）的大片段刪除——這導(dǎo)致該突變體的染色體三維結(jié)構(gòu)被改變，使上游基因TaTMT3（與糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)）表達(dá)水平上升，進(jìn)而克服了感病基因MLO突變引起的負(fù)面表型，最終實(shí)現(xiàn)了抗病和產(chǎn)量的“雙贏”。

懸疑破解了，但要精確實(shí)現(xiàn)304Kb這一大的基因組片段剪切，并非易事。“‘剪刀’的效率要特別高?！备卟氏紝?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，抗白粉病基因編輯研究十年來(lái)，目前已擁有7項(xiàng)核心技術(shù)專利，研究團(tuán)隊(duì)還開創(chuàng)了一系列基因組編輯新技術(shù)。

正是基于這些核心技術(shù)，研究組通過疊加使用“基因剪刀”，在敲除MLO感病基因的同時(shí)，刪除了TaMLO-B附近的大片段DNA，從而成功將這一抗病高產(chǎn)優(yōu)異性狀引進(jìn)到我國(guó)多個(gè)小麥主栽品種中。

由于MLO的基因功能在不同植物中相對(duì)保守，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在模式植物擬南芥中過表達(dá)TMT3也能克服其感病基因突變產(chǎn)生的負(fù)面表型?！斑@證明了疊加的遺傳改變可以克服感病基因突變帶來(lái)的生長(zhǎng)缺陷，為作物抗病育種研究提供了新的理論視角?！闭撐牡谝蛔髡摺⑶窠瘕垐F(tuán)隊(duì)助理研究員李盛楠說(shuō)。

至此，研究團(tuán)隊(duì)終于講完了利用感病基因進(jìn)行小麥抗病育種的故事?；仡櫰渲械奶魬?zhàn)，高彩霞有些風(fēng)輕云淡地說(shuō)：“我們知道路就在那里，只要堅(jiān)持不懈就一定能夠到達(dá)。”

這個(gè)歷經(jīng)“八年抗戰(zhàn)”取得的研究成果獲得了審稿人的一致好評(píng)。多位審稿人表示這項(xiàng)研究“具有很大應(yīng)用潛力”。其中一位審稿人指出：“這項(xiàng)工作在探索沒有負(fù)面效應(yīng)的抗病小麥育種上邁出了重要一步?！?/p>

“基因組編輯的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以更方便、快捷、精準(zhǔn)地進(jìn)行作物育種和改良。”李盛楠說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)用了數(shù)年時(shí)間了解Tamlo-R32的突變機(jī)制后，僅用了幾個(gè)月就利用基因組編輯技術(shù)在多個(gè)小麥主栽品種中獲得了抗病且高產(chǎn)的種質(zhì)資源。而傳統(tǒng)雜交育種則需要五六年的時(shí)間。

在2019年和2020年于北京和河北趙縣進(jìn)行的大田試驗(yàn)中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明了新種質(zhì)資源的可靠性：常規(guī)MLO突變體造成的株高矮化在10%左右，產(chǎn)量降低16%左右;而新突變體具有超出或至少保持與親本一致的產(chǎn)量。

“培育和推廣抗病新品種是防治植物病害最經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)境友好的策略?！笨嫡裆u(píng)論說(shuō)，“這項(xiàng)研究驗(yàn)證了基因組編輯技術(shù)的發(fā)展對(duì)作物性狀改良具有重大推動(dòng)作用，尤其對(duì)經(jīng)典遺傳改造難以實(shí)施的多倍體復(fù)雜基因組農(nóng)作物的改良，對(duì)保障糧食安全具有重要意義?！?/p>

“和傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，基因組編輯育種的優(yōu)勢(shì)非常明顯?！备卟氏紝?duì)比說(shuō)，傳統(tǒng)雜交育種要引入一個(gè)抗病基因，需要進(jìn)行6～8代的回交，整個(gè)過程非常漫長(zhǎng)，而且其前提是雜交的親本種要有抗病基因。通過突變育種（輻射、化學(xué)誘變等方法）具有盲目性和隨機(jī)性，找到理想的突變體無(wú)異于大海撈針。而基因組編輯為精準(zhǔn)定向育種提供了可能。

“通過基因組編輯可以不添加任何外源性的基因，只需要把靶向的序列修改好，大大節(jié)省了時(shí)間、減少了工作量?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

高彩霞指出，基因組編輯技術(shù)經(jīng)過10年的發(fā)展已經(jīng)不僅僅是“一把剪刀”的概念。進(jìn)化至“2.0時(shí)代”的堿基編輯和引導(dǎo)編輯還可以是一塊“橡皮”或一支“鉛筆”?！叭绻粋€(gè)序列有點(diǎn)多，你可以把它剪掉;如果組成DNA的四個(gè)字母ATCG有一個(gè)錯(cuò)了，你可以用‘橡皮擦’把它擦掉，然后用‘鉛筆’寫入正確的字母，而‘鉛筆’‘橡皮擦’是不留在細(xì)胞里的?！?/p>

好消息是，今年1月底農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定公布了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評(píng)價(jià)指南（試行）》，進(jìn)一步規(guī)范了農(nóng)業(yè)基因編輯植物的安全評(píng)價(jià)管理，促進(jìn)我國(guó)生物育種技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。“在這個(gè)政策的鼓舞和鞭策下，相信我國(guó)很快會(huì)有更多的基因組編輯材料進(jìn)入田間和市場(chǎng)?！备卟氏急硎?，下一步將深入開展小麥白粉病新種質(zhì)資源的開發(fā)和推廣應(yīng)用。