小麥抗病關鍵生物技術研究獲突破

　　普通小麥（Triticum aestivum L., 2n = 42, AABBDD）是世界上最重要的糧食作物之一，為人類提供約20%的能量。普通小麥是異源六倍體，基因組龐大（17,000Mb, 約是人類基因組的5倍）且含有高達80%-90%的重復序列，因此，針對小麥的基因功能研究及遺傳育種都非常困難。傳統突變育種方法，如EMS誘變、物理輻射等手段，突變的隨機性較大、效率較低，很難在六倍體的小麥里獲得多個拷貝基因同時突變的植株，從而不能獲得所需的農藝性狀。因此，需要快速、準確度高的方法來提高小麥的育種速度以滿足人類對小麥產量不斷增長的需求。

　　白粉病是小麥的主要病害之一，嚴重影響到小麥的產量和品質，培育出對白粉病具有持久、廣譜、高抗特性的小麥抗病品種一直是育種上的重大挑戰。在與小麥親緣關系較近的大麥中，已知MLO基因的功能缺失突變使其對白粉病產生廣譜和持久的抗性。這種抗性在生產上已成功應用了三十多年還沒有被打破。但是，由于小麥和大麥之間存在生殖隔離，難以進行雜交育種，大麥的這種優良性狀不能直接為小麥所用。在小麥A、B、D基因組上MLO基因各有一個拷貝（TaMLO-A1,TaMLO-B1,TaMLO-D1），對小麥MLO等位基因的缺失突變有望產生廣譜抗白粉病的品種。

　　近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞課題組和微生物研究所邱金龍課題組緊密合作，利用最新的基因組編輯技術，首次在六倍體小麥中對MLO基因的三個拷貝同時進行了突變，獲得了對白粉病具有廣譜抗性的小麥材料。該研究利用TALEN和CRISPR/Cas9基因組編輯技術實現了對小麥MLO基因的定向突變，且誘導的突變在小麥里可以穩定遺傳到后代，并符合孟德爾遺傳規律。突變體材料經過一代或兩代自交，獲得了MLO基因不同組合的純合突變體（tamlo-aa，tamlo-bb，tamlo-dd，tamlo-aabb，tamlo-aadd， tamlo-bbdd，tamlo-aabbdd）。通過小麥白粉菌接種實驗，發現只有小麥A、B和D基因組上三個MLO基因拷貝同時突變的純合突變體tamlo-aabbdd表現出對白粉菌極為顯著的廣譜抗性（如圖）。該結果表明小麥MLO基因的三個拷貝在功能上存在冗余，這也可能是到目前為止在自然條件下或利用傳統育種手段而沒有獲得小麥mlo抗病材料的主要原因。此外，該研究還利用基因組編輯技術在小麥里實現了基因的定點插入，插入的片段可以穩定遺傳，這可用于創制不能由簡單基因敲除而產生的優良遺傳特性。

　　該研究第一次在一個多倍體物種中證明可以對多個部分同源的基因同時并準確地進行編輯，同時展示了通過基因組編輯可以實現不同物種的育種信息資源共享。此外，創制的小麥mlo突變體具有持久、廣譜抗白粉病的優點，也將為小麥白粉病的抗病育種提供重要的起始材料。該工作為小麥基因功能的研究以及育種新材料或品種的創制提供了一個全新的思路和技術路線。研究結果于2014年7月20日在線發表在生物技術領域權威期刊《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）雜志上。Nature Biotechnology 將專門配發“News and Views”，對該研究及相關領域的進展進行全面評述。遺傳發育所高彩霞組博士生王延鵬和微生物所邱金龍組博士生程曦為該文章的共同第一作者。這是雙方的合作研究成果近一年來第二次發表于Nature Biotechnology。該研究得到了中國科學院重點部署項目、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、科技部以及國家自然科學基金的資助。

TaMLO基因功能缺失使小麥表現對白粉病極為顯著的抗性