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。

“另一只靴子”落地

  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(guò)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(guò)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(guò),，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(guò)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(kāi)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(yú)與熊掌”的兼得,。

層層推進(jìn)破懸疑

  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(guò)普通野生型小麥的材料是怎么出現(xiàn)的,？如何通過(guò)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(kāi)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(guò)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(wèn)題,。”高彩霞說(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(wèn)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(kāi)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(guò)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?！啊舻丁男室貏e高,。”高彩霞對(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(kāi)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(guò)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(guò)表達(dá)TMT3也能克服其感病基因突變產(chǎn)生的負(fù)面表型,。“這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,。”論文第一作者,、邱金龍團(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(méi)有負(fù)面效應(yīng)的抗病小麥育種上邁出了重要一步?！?/span>

基因編輯除了“剪刀”還是“橡皮”和“鉛筆”

  “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,?！崩钍㈤f(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,?！?/span>

  “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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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”,。“如果一個(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(xiě)入正確的字母，而‘鉛筆’‘橡皮擦’是不留在細(xì)胞里的,?！?/span>

  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?！霸谶@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),。”高彩霞表示,，下一步將深入開(kāi)展小麥白粉病新種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用,。