自然重:高彩霞的团队和其他人利用基因编辑技术创造了既抗病又高产的小麦新品系

来源：生物世界2022-03-08 08:28

作为主要粮食作物之一，小麦养活了全球三分之一以上的人口。白粉病是世界范围内影响小麦产量的主要病害之一，重病小麦可减产40%以上，严重威胁全球粮食安全。早在2014年，中国科学院遗传发育研究所高彩霞团队和微生物研究所邱金龙团队合作，利用基因组编辑技术，定向突变小麦的易感基因MLO，获得广谱、持久抗白粉病的小麦品种。然而，新的问题来了。

作为主要粮食作物之一，小麦养活了全球三分之一以上的人口。白粉病是世界范围内影响小麦产量的主要病害之一，重病小麦可减产40%以上，严重威胁全球粮食安全。

早在2014年，中科院发展所高彩霞团队与微生物所邱金龙团队合作，利用基因组编辑技术，定向突变小麦的易感基因MLO，获得广谱持久抗白粉病的小麦品种。

但新的问题来了：由于基因的多效性，MLO基因不仅是白粉病的易感基因，还会影响小麦的其他生理特性。研究人员发现，小麦的mlo突变体表现出对白粉病的抗性，同时还表现出早衰、产量下降等负表型，这可能会限制其在生产上的广泛应用。如何创造既抗病又高产的小麦品种？终于，经过八年的合作研究，团队再次取得重要进展。

两个团队再次合作，在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上发表了题为《基因组编辑奶粉在无生长奖时的抗性》的研究论文。

本研究阐明了抗病高产小麦新mlo突变体的分子机理，利用基因组编辑技术快速获得了广谱抗白粉病高产小麦新品系。这项工作是利用感病基因MLO进行植物抗病育种的重要理论和技术突破。

研究思路和成果展示

1.发现了具有抗病性且没有生长缺陷的突变体Tamlo-R32。

在筛选mlo基因小麦的突变体群体时，研究组发现了一个新的mlo突变体Tamlo-R32，表现为抗白粉病，其生长发育和产量完全正常(图1a-e)。全基因组测序后，结果显示Tamlo-R32突变株在TaMLO-B1位点的第二个外显子有304-kb碱基对的大量缺失(图1f-g)。如此大规模的基因缺失会对基因表达产生什么影响？

2.Tamlo-R32突变体中TaTMT3B基因表达上调。

为了研究这种大缺失的影响，研究团队使用RNA-seq、qRT-PCR等方法检测缺失位点附近的基因表达。测序结果显示相关基因的表达如预期下调或检测不到。但值得注意的是，缺失位点上游的TaTMT3B基因表达明显上调(图2a-b)。此外，通过切割标签和ATAC序列检测该位点的组蛋白修饰和染色体相互作用。结果显示(图2c-e)tam lo-R32突变体中TaMLO-B1位点附近有一个大的基因缺失，改变了局部染色质状态，从而激活了TaTMT3B基因的上调表达。

3.验证TMT3在拟南芥中的保守功能。

为了验证TaTMT3B基因的功能，研究小组在Tamlo-R32突变株中敲除TaTMT3B，果然植株恢复了株高降低、产量降低的不良表型(图3a-c)。此外，TaTMT3B在产量缺陷型突变体Tamlo-aabbdd中过表达。结果表明，株高和产量的负面影响消失，但白粉病抗性不受影响。通过基因敲除和过表达，证明TaTMT3B的过表达挽救了Tamlo-R32突变体的生长缺陷(图3d-h)。有趣的是，该研究小组在拟南芥Atmlo2/6/12突变体中过量表达AtTMT3，这也可以在很大程度上恢复突变体中早衰叶片的表型，表明该突变体中的TM

在揭示了Tamlo-R32突变可以维持产量的机制后，研究小组试图将这种突变引入小麦。起初，通过传统的育种方法，将Tamlo-R32突变渗入到主栽小麦品种中，发现这些品种的白粉病抗性可以显著提高。但是，常见的转移方法费时费力。为了更高效地完成这一任务，研究团队随后利用CRISPR-Cas9技术实现了定向突变，仅用2-3个月就成功获得了广谱抗白粉病且对生长和产量无影响的小麦品种(图4)，证实了Tamlo-R32突变基因在生产中的应用价值。(100yiyao.com)

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