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小麥抗白粉病育種取得突破 基因組編輯育種優(yōu)勢(shì)彰顯

來(lái)源:新華網(wǎng)

新華社北京2月11日電 題:小麥抗白粉病育種取得突破 基因組編輯育種優(yōu)勢(shì)彰顯

新華社記者張泉

抗病性與高產(chǎn)量兼?zhèn)?,是農(nóng)業(yè)育種的一大難題。中國(guó)科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)日前成功破解了小麥既抗白粉病又確保生長(zhǎng)和產(chǎn)量正常的基因奧秘,并使主栽小麥品種快速獲得廣譜抗白粉病的優(yōu)異性狀。

這一成果10日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。該成果是如何取得的?背后的科學(xué)機(jī)理是什么?基因組編輯育種彰顯出怎樣的優(yōu)勢(shì)?新華社記者采訪了研究團(tuán)隊(duì)成員。

尋找“魚(yú)與熊掌兼得”的“金鑰匙”

小麥白粉病是由真菌引起的一種世界范圍內(nèi)危害小麥生產(chǎn)的重要病害,重病田減產(chǎn)可達(dá)40%以上。培育抗白粉病的小麥品種,對(duì)于維護(hù)世界糧食安全具有重要意義。

然而,受限于自然法則,農(nóng)作物抗病性與高產(chǎn)量往往難以兼得。

“這反映了病原菌的狡猾。”中科院遺傳發(fā)育所研究員高彩霞介紹,病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因,感病基因的突變通常能夠賦予植物廣譜持久的抗病性,但往往也會(huì)給植物生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)多種負(fù)面效應(yīng),這一特性極大限制了感病基因在植物抗病育種中的應(yīng)用。

早在2014年,中科院研究團(tuán)隊(duì)就利用基因組編輯技術(shù)定向突變小麥的感病基因MLO,獲得了對(duì)白粉病具有廣譜持久抗性的材料,但該小麥mlo突變體表現(xiàn)出白粉病抗性的同時(shí),也出現(xiàn)了早衰、植株變矮、產(chǎn)量下降等負(fù)面表型。

此后,研究團(tuán)隊(duì)一直不斷探索如何在抗白粉病育種中進(jìn)一步利用MLO基因,從而實(shí)現(xiàn)“魚(yú)與熊掌兼得”。

終于,他們?cè)诖罅康幕蚪M編輯小麥突變體中篩選獲得了一個(gè)新型mlo突變體Tamlo-R32,該突變體表現(xiàn)出對(duì)白粉菌完全的抗性,同時(shí)生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量正常?!斑@成為破解MLO基因利用難題的‘金鑰匙’。”高彩霞說(shuō)。

揭開(kāi)關(guān)鍵突變體的“神秘面紗”

找到了“金鑰匙”,接下來(lái)就要揭開(kāi)Tamlo-R32的“神秘面紗”,闡明其分子機(jī)制。

然而,這并非易事。

“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,這為解析Tamlo-R32突變體的分子機(jī)制帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)?!备卟氏颊f(shuō)。

經(jīng)過(guò)8年的通力合作,研究人員最終解析了小麥Tamlo-R32突變體表型形成的分子機(jī)制。

研究人員發(fā)現(xiàn),在Tamlo-R32突變體基因組的TaMLO-B1位點(diǎn)附近,存在約304Kb的大片段刪除,染色體三維結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致上游基因TaTMT3的表達(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。

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在模式植物擬南芥中過(guò)表達(dá)TMT3也能克服其mlo突變體的負(fù)面表型?!耙虼?,該研究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,為培育抗病高產(chǎn)作物品種開(kāi)辟了一條新的路徑?!备卟氏颊f(shuō)。

基因組編輯育種優(yōu)勢(shì)彰顯

為了將研究成果應(yīng)用于抗病育種,研究人員利用傳統(tǒng)育種方法將Tamlo-R32突變體與我國(guó)小麥主栽品種進(jìn)行雜交,并通過(guò)幾代回交將抗病優(yōu)良性狀引入主栽品種中。

與此同時(shí),研究人員利用CRISPR多重基因組編輯技術(shù),直接在小麥主栽品種中創(chuàng)制相應(yīng)的基因突變,僅2至3個(gè)月就成功在多個(gè)小麥主栽品種中獲得了具有廣譜白粉病抗性,且生長(zhǎng)和產(chǎn)量均不受影響的小麥種質(zhì)。

“相比于傳統(tǒng)育種方法,基因組編輯育種極大縮短了育種進(jìn)程?!备卟氏冀榻B,基因組編輯育種能夠進(jìn)行精準(zhǔn)定向操作,從而規(guī)避了傳統(tǒng)育種方法盲目性和隨機(jī)性的缺點(diǎn),大大節(jié)省了時(shí)間和工作量。

“伴隨著全球氣候變化、耕作制度改變以及種植品種單一化等多種因素的疊加,植物病害更加頻繁地發(fā)生,選育和推廣抗病新品種是防治病害經(jīng)濟(jì)、有效和環(huán)境友好的策略。”高彩霞說(shuō)。

“這項(xiàng)研究是小麥抗白粉病育種的重要進(jìn)展,也為培育抗病高產(chǎn)作物品種提供了新的思路和技術(shù)路線,同時(shí)也充分展現(xiàn)出基因組編輯在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中巨大的應(yīng)用前景?!敝袊?guó)工程院院士康振生說(shuō)。

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