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小麦抗白粉病育种取得突破基因组编辑育种优势彰显

抗病性与高产量兼备，是农业育种的一大难题。中国科学院研究团队日前成功破解了小麦既抗白粉病又确保生长和产量正常的基因奥秘，并使主栽小麦品种快速获得广谱抗白粉病的优异性状。

这一成果10日在国际学术期刊《自然》发表。该成果是如何取得的？背后的科学机理是什么？基因组编辑育种彰显出怎样的优势？新华社记者采访了研究团队成员。

寻找“鱼与熊掌兼得”的“金钥匙”

小麦白粉病是由真菌引起的一种世界范围内危害小麦生产的重要病害，重病田减产可达40%以上。培育抗白粉病的小麦品种，对于维护世界粮食安全具有重要意义。

然而，受限于自然法则，农作物抗病性与高产量往往难以兼得。

“这反映了病原菌的狡猾。”中科院遗传发育所研究员高彩霞介绍，病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，感病基因的突变通常能够赋予植物广谱持久的抗病性，但往往也会给植物生长发育带来多种负面效应，这一特性极大限制了感病基因在植物抗病育种中的应用。

早在2014年，中科院研究团队就利用基因组编辑技术定向突变小麦的感病基因MLO，获得了对白粉病具有广谱持久抗性的材料，但该小麦mlo突变体表现出白粉病抗性的同时，也出现了早衰、植株变矮、产量下降等负面表型。

此后，研究团队一直不断探索如何在抗白粉病育种中进一步利用MLO基因，从而实现“鱼与熊掌兼得”。

终于，他们在大量的基因组编辑小麦突变体中筛选获得了一个新型mlo突变体Tamlo-R32，该突变体表现出对白粉菌完全的抗性，同时生长发育和产量正常。“这成为破解MLO基因利用难题的‘金钥匙’。”高彩霞说。

揭开关键突变体的“神秘面纱”

找到了“金钥匙”，接下来就要揭开Tamlo-R32的“神秘面纱”，阐明其分子机制。

然而，这并非易事。

“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，这为解析Tamlo-R32突变体的分子机制带来了极大挑战。”高彩霞说。

经过8年的通力合作，研究人员最终解析了小麦Tamlo-R32突变体表型形成的分子机制。

研究人员发现，在Tamlo-R32突变体基因组的TaMLO-B1位点附近，存在约304Kb的大片段删除，染色体三维结构的改变导致上游基因TaTMT3的表达水平上升，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。

研究进一步发现，在模式植物拟南芥中过表达TMT3也能克服其mlo突变体的负面表型。“因此，该研究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，为培育抗病高产作物品种开辟了一条新的路径。”高彩霞说。

基因组编辑育种优势彰显

为了将研究成果应用于抗病育种，研究人员利用传统育种方法将Tamlo-R32突变体与我国小麦主栽品种进行杂交，并通过几代回交将抗病优良性状引入主栽品种中。

与此同时，研究人员利用CRISPR多重基因组编辑技术，直接在小麦主栽品种中创制相应的基因突变，仅2至3个月就成功在多个小麦主栽品种中获得了具有广谱白粉病抗性，且生长和产量均不受影响的小麦种质。

“相比于传统育种方法，基因组编辑育种极大缩短了育种进程。”高彩霞介绍，基因组编辑育种能够进行精准定向操作，从而规避了传统育种方法盲目性和随机性的缺点，大大节省了时间和工作量。

“伴随着全球气候变化、耕作制度改变以及种植品种单一化等多种因素的叠加，植物病害更加频繁地发生，选育和推广抗病新品种是防治病害经济、有效和环境友好的策略。”高彩霞说。

“这项研究是小麦抗白粉病育种的重要进展，也为培育抗病高产作物品种提供了新的思路和技术路线，同时也充分展现出基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景。”中国工程院院士康振生说。

据新华社