科研人员用双重“基因剪刀”实现小麦突破性抗病高产育种丨《自然》
时隔八年，曾广受关注的小麦白粉病“缉凶案”终于迎来了后记。中科院遗传发育所高彩霞团队和中科院微生物所邱金龙团队用多重“基因剪刀”，实现了对小麦重要感病基因序列的精准操控，获得了既高抗白粉病又高产的新材料。这项研究2月10日凌晨发表于《自然》。它意味着，号称小麦三大病害之一的白粉病终于被我国科学家“拿下”。
“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。”西北农林科技大学康振生院士对此评论说，它展现了基因组编辑在作物分子设计育种中的巨大潜力，对保障粮食安全具有重大意义。
“另一只靴子”落地
白粉病是广泛影响小麦产量的三大病害之一。据农业农村部统计，我国每年受白粉病影响的小麦面积达到1亿亩左右，重病田甚至会减产40%。将这一严重威胁粮食安全的真菌“缉拿归案”，是很多育种专家的梦想。
小麦三大病害趋势图，图中可见小麦白粉病发病面积居高不下。作者供图
目前，分子育种家们都是通过抗性基因抵抗白粉病。但就像病毒预防一样，这种途径不具有广谱性和持久性，很容易随着白粉病新小种的出现而失去效用。
病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，能否通过阻断这个病害与植物连接的“桥梁”来获得广谱持久的抗性呢？长期以来，这是科学界一个可望而不可及的梦想。
“感病基因的突变通常能够赋予植物广谱持久的抗病性，但它往往具有重要的生理功能，其突变会给植物生长发育带来多种负面效应。”论文第一作者、邱金龙团队助理研究员李盛楠向记者解释，这进一步反映了病原菌的“狡猾”，极大地限制了感病基因在植物抗病育种中的应用。
李盛楠照片。受访者供图
不过，高彩霞团队与邱金龙团队将双方在基因编辑和抗病研究方面的优势相结合，选择了利用植物抗病的新理论和先进生物技术去攻克摆在育种家和植物生物学家面前的难题。
科学家很早就知道MLO是小麦的感病基因，但由于普通小麦是异源六倍体，MLO基因有3个拷贝，通过天然突变方式同时敲除这三个基因几乎不可能发生。2014年，合作团队利用“基因剪刀”定向敲除MLO的三个拷贝，不出所料地获得了对白粉病具有广谱持久抗性的小麦新材料。
相关研究在《自然—生物技术》发表后在全世界范围内获得极大关注。该研究入选该刊创刊20周年最具有影响力的20篇文章，并被《麻省理工科技评论》誉为“全球十大技术突破之一”。高彩霞也因引领了植物基因组编辑的浪潮，入选《自然》2016年度“十位中国科学之星”。
不过，这个故事还有另一半——正如在其他多种植物中观察到的一样，研究团队也发现敲除感病基因MLO的小麦出现了一定程度的负面表型，如早衰、植株变矮、产量下降等，限制了其在生产上的广泛应用。然而，研究团队选择迎难而上。
幸运总是眷顾努力的人，在当时敲除MLO后得到的100多个基因组编辑小麦突变体中，他们发现了一个“宝贝”材料——突变体Tamlo-R32。它在表现出对白粉菌抗性的同时，生长发育和产量完全正常。
这个与众不同的材料让高彩霞坚信，感病基因突变抗病并非“死胡同”，“沿着这条路走一定能够做成”。
现在，经过八年协力攻关，“另一只靴子”终于落地。在发表于《自然》的新研究中，他们解开了Tamlo-R32突变背后的秘密，克服了感病基因MLO突变引起的负面表型，实现了抗病高产“鱼与熊掌”的兼得。
层层推进破悬疑
在敲除MLO得到的大量突变体中，Tamlo-R32为何一枝独秀？这个产量甚至超过普通野生型小麦的材料是怎么出现的？如何通过基因组编辑实现它并将其导入小麦主栽品种中？
2014年之后，围绕Tamlo-R32这个“主角”的系列悬疑，成为高彩霞和合作者迫切要破解的谜题。
这并不容易。
普通小麦基因组十分庞大，是人类基因组的5倍，水稻基因组的40倍。其序列重复性相当高，基因组结构极为复杂，这为揭开造成Tamlo-R32突变体的奥秘带来了极大挑战。
一开始，由于小麦基因组数据并不完善，研究团队只能通过一系列漫长的传统遗传学实验进行分析，这让他们确定在小麦三个染色体组A、B、D中，A和D基因组上都存在预期的突变。
“但如果只有这两个基因组发生改变，还不足以抵抗白粉病，所以B基因组上一定也有问题。”高彩霞说，受限于当时的基因组数据，研究团队在这个问题上探索了四年始终未能窥见其关键。
直到2018年，借助新完成的小麦基因组重测序数据和染色体精细图谱，这个“暗箱”终于被打开了。
让高彩霞和合作者吃惊的是，Tamlo-R32突变体的B基因组上竟然发生了高达304Kb（超过30万DNA字母）的大片段删除——这导致该突变体的染色体三维结构被改变，使上游基因TaTMT3（与糖转运蛋白相关）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，最终实现了抗病和产量的双赢。
野生型、Tamlo-R32突变体和敲除MLO感病基因小麦的对比图。左图为野生型，其中TaTMT3表达受到抑制；右图为Tamlo-R32突变体，删除304Kb大片段基因组后，TaTMT3的表达被激活。作者供图
悬疑破解了，但要精确实现304Kb这一大的基因组片段剪切，并非易事。“这要求‘剪刀’的效率要特别高。”高彩霞对记者说，抗白粉病基因编辑研究十年来，目前已拥有7项核心技术专利，研究团队还开创了一系列基因组编辑新技术。
正是基于这些核心技术，研究组通过叠加使用“基因剪刀”，在敲除MLO感病基因的同时，删除了TaMLO-B附近的大片段DNA，从而实现了将这一抗病高产优异性状引进到我国多个小麦主栽品种中。
由于MLO的基因功能在不同植物中相对保守。研究者进一步发现，在模式植物拟南芥中过表达TMT3也能克服其感病基因突变产生的负面表型。“这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，为作物抗病育种研究提供了新的理论视角。”李盛楠说。
至此，研究团队终于讲完了利用感病基因进行小麦抗病育种的故事。回顾其中的挑战，高彩霞有些风轻云淡地说：“我们知道路就在那里，只要坚持不懈就一定能够到达。”
她特别强调李盛楠在此过程中的付出：“他真的是在辛勤耕耘。同一个实验室的其他人已经发了很多文章，当了教授。这项研究他从博士后做到助理研究员，一直在坚持做。”
功夫不负有心人。这个历经“八年抗战”取得的研究成果获得了审稿人的一致好评。多位审稿人表示这项研究“令人兴奋”、“具有很大应用潜力”。其中一位审稿人指出：“这项工作代表了在探索没有负面效应影响的抗病小麦中向前迈出的重要一步。”
高彩霞照片。受访者供图
引领下一代育种
用近八年时间“死磕”基础研究，高彩霞与合作者的目的很明确：走向基因组编辑的应用，让白粉病不再成为小麦的威胁。
“基因组编辑的一个优点是可以更方便、快捷、精准地进行作物育种和改良。”李盛楠说，研究团队用了数年时间了解Tamlo-R32的突变机制，但仅用了几个月就用基因组编辑技术在多个小麦主栽品种中获得了抗病且高产的种质资源。而传统杂交育种则需要五六年的时间。
在2019年和2020年于北京和河北赵县进行的大田试验中，联合团队进一步证明了新种质资源的可靠性：常规MLO突变体造成的株高矮化在10%左右，产量降低16%左右；而新突变体具有超出或至少保持与亲本一致的产量。
“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。”康振生院士评论说，“这项研究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。”
“和传统育种技术相比，基因组编辑育种的优势非常明显。”高彩霞对比说，传统杂交育种要引入一个抗病基因，需要进行6~8代的回交，整个过程非常漫长，而且其前提是杂交的亲本种要有抗病基因。通过突变育种（辐射、化学诱变等方法）具有盲目性和随机性，找到理想的突变体无异于大海捞针。而基因组编辑为精准定向育种提供了可能。
“通过基因组编辑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，大大节省了时间和工作量。”她补充说。
事实上，高彩霞指出，基因组编辑技术经过10年的发展已经不仅仅是“一把剪刀”的概念。进化至“2.0时代”的碱基编辑和引导编辑还可以是一块“橡皮”或一支“铅笔”。
“如果一个序列有点多，你可以把它剪掉；如果组成DNA的四个字母ATCG有一个错了，你可以像用一个‘橡皮擦’把它擦掉，然后用‘铅笔’写入正确字母，而‘铅笔’、‘橡皮擦’是不留在细胞里的。”她比喻说。
好消息是，今年1月底农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，进一步规范了农业基因编辑植物的安全评价管理，促进我国生物育种技术和产业发展。“在这个政策的鼓舞和鞭策下，相信我国会有更多的基因组编辑材料很快进入到田间和市场。”高彩霞表示，下一步将深入开展小麦白粉病新种质资源的开发和推广应用。
相关论文信息：DOI: 10.1038/s41586-022-04395-9
来源：小柯生命
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