時隔八年，曾廣受關注的小麥白粉病“緝兇案”終于迎來了續篇。

中科院遺傳與發育生物學研究所研究員高彩霞團隊和中科院微生物研究所研究員邱金龍團隊用多重“基因剪刀”，實現了對小麥重要感病基因序列的精準操控，獲得了既高抗白粉病又高產的新材料。相關研究2月10日發表于《自然》。這意味著，號稱小麥三大病害之一的白粉病終于被我國科學家“拿下”。

“這一具有重要理論與實際應用價值的研究工作，將成為作物育種領域標志性的成果。”中國工程院院士、西北農林科技大學康振生對此評論說，它展現了基因組編輯在作物分子設計育種中的巨大潛力，對保障糧食安全具有重大意義。

“另一只靴子”落地

據農業農村部統計，我國每年受白粉病影響的小麥面積達到1億畝左右，重病田甚至會減產40%。將這一嚴重威脅糧食安全的真菌“緝拿歸案”，是很多育種專家的夢想。

目前，分子育種家都是通過抗性基因幫助作物抵抗白粉病。但就像病毒預防一樣，這種途徑不具有廣譜性和持久性，很容易隨著白粉病新小種的出現而失去效用。

病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，能否通過阻斷這個病害與植物連接的“橋梁”來獲得廣譜持久的抗性呢？

這是科學家想做但又不敢去做的一件事，因為感病基因的敲除具有兩面性：抗病的同時，也會影響植物生長。

科學家很早就知道MLO是小麥的感病基因，但由于普通小麥是異源六倍體，MLO基因有3個拷貝，幾乎不可能通過天然突變方式同時敲除這3個基因。2014年，合作團隊利用“基因剪刀”定向敲除MLO的3個拷貝，不出所料地獲得了對白粉病具有廣譜持久抗性的小麥新材料。

相關研究在《自然—生物技術》發表后引起了世界范圍內的極大關注。該研究入選了該刊創刊20周年最具影響力的20篇文章，并入選《麻省理工科技評論》2016年“全球十大技術突破”。高彩霞也因引領了植物基因組編輯的浪潮，入選《自然》2016年度“十位中國科學之星”。

不過，這個故事還有后續——正如在其他多種植物中觀察到的一樣，研究團隊發現敲除感病基因MLO的小麥出現了一定程度的負面表型，如早衰、植株變矮、產量下降等，限制了其在生產上的廣泛應用。

對此，研究團隊選擇迎難而上。

在當時敲除MLO后得到的100多個基因組編輯小麥突變體中，他們發現了一個“寶貝”材料——突變體Tamlo-R32。它在表現出對白粉菌的抗性的同時，生長發育和產量完全正常。

這個與眾不同的材料讓高彩霞堅信，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”。

現在，經過八年協力攻關，“另一只靴子”終于落地。在發表于《自然》的新研究中，他們解開了Tamlo-R32突變背后的秘密，克服了感病基因MLO突變引起的負面表型，實現了抗病高產“魚與熊掌”的兼得。

層層推進破懸疑

在敲除MLO得到的大量突變體中，Tamlo-R32為何一枝獨秀？這個產量甚至超過普通野生型小麥的材料是怎么出現的？如何通過基因組編輯獲得該突變體并將其導入小麥主栽品種中？

2014年之后，圍繞Tamlo-R32這個“主角”的系列懸疑，成為高彩霞和合作者要破解的謎題。

但這做起來并不容易。

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。其序列重復性相當高，基因組結構極為復雜。

一開始，由于小麥基因組數據并不完善，研究團隊只能通過一系列漫長的傳統遺傳學實驗進行分析，最終確定在小麥3個染色體組A、B、D中，A和D基因組上都存在預期的突變。

“只有這兩個基因組發生改變，還不足以抵抗白粉病，所以B基因組上一定有問題。”高彩霞說，受限于當時的基因組數據，研究團隊在這個問題上探索了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序數據和染色體精細圖譜，這個“暗箱”終于被打開了。

讓研究團隊吃驚的是，Tamlo-R32突變體的B基因組上竟然發生了高達304Kb（超過30萬DNA字母）的大片段刪除——這導致該突變體的染色體三維結構被改變，使上游基因TaTMT3（與糖轉運蛋白相關）表達水平上升，進而克服了感病基因MLO突變引起的負面表型，最終實現了抗病和產量的“雙贏”。

懸疑破解了，但要精確實現304Kb這一大的基因組片段剪切，并非易事。“‘剪刀’的效率要特別高。”高彩霞對《中國科學報》說，抗白粉病基因編輯研究十年來，目前已擁有7項核心技術專利，研究團隊還開創了一系列基因組編輯新技術。

正是基于這些核心技術，研究組通過疊加使用“基因剪刀”，在敲除MLO感病基因的同時，刪除了TaMLO-B附近的大片段DNA，從而成功將這一抗病高產優異性狀引進到我國多個小麥主栽品種中。

由于MLO的基因功能在不同植物中相對保守，研究者進一步發現，在模式植物擬南芥中過表達TMT3也能克服其感病基因突變產生的負面表型。“這證明了疊加的遺傳改變可以克服感病基因突變帶來的生長缺陷，為作物抗病育種研究提供了新的理論視角。”論文第一作者、邱金龍團隊助理研究員李盛楠說。

至此，研究團隊終于講完了利用感病基因進行小麥抗病育種的故事。回顧其中的挑戰，高彩霞有些風輕云淡地說：“我們知道路就在那里，只要堅持不懈就一定能夠到達。”

這個歷經“八年抗戰”取得的研究成果獲得了審稿人的一致好評。多位審稿人表示這項研究“具有很大應用潛力”。其中一位審稿人指出：“這項工作在探索沒有負面效應的抗病小麥育種上邁出了重要一步。”

基因編輯除了“剪刀”還是“橡皮”和“鉛筆”

“基因組編輯的一個優點是可以更方便、快捷、精準地進行作物育種和改良。”李盛楠說，研究團隊用了數年時間了解Tamlo-R32的突變機制后，僅用了幾個月就利用基因組編輯技術在多個小麥主栽品種中獲得了抗病且高產的種質資源。而傳統雜交育種則需要五六年的時間。

在2019年和2020年于北京和河北趙縣進行的大田試驗中，聯合團隊進一步證明了新種質資源的可靠性：常規MLO突變體造成的株高矮化在10%左右，產量降低16%左右；而新突變體具有超出或至少保持與親本一致的產量。

“培育和推廣抗病新品種是防治植物病害最經濟、高效和環境友好的策略。”康振生評論說，“這項研究驗證了基因組編輯技術的發展對作物性狀改良具有重大推動作用，尤其對經典遺傳改造難以實施的多倍體復雜基因組農作物的改良，對保障糧食安全具有重要意義。”

“和傳統育種技術相比，基因組編輯育種的優勢非常明顯。”高彩霞對比說，傳統雜交育種要引入一個抗病基因，需要進行6~8代的回交，整個過程非常漫長，而且其前提是雜交的親本種要有抗病基因。通過突變育種（輻射、化學誘變等方法）具有盲目性和隨機性，找到理想的突變體無異于大海撈針。而基因組編輯為精準定向育種提供了可能。

“通過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，大大節省了時間、減少了工作量。”她補充說。

高彩霞指出，基因組編輯技術經過10年的發展已經不僅僅是“一把剪刀”的概念。進化至“2.0時代”的堿基編輯和引導編輯還可以是一塊“橡皮”或一支“鉛筆”。“如果一個序列有點多，你可以把它剪掉；如果組成DNA的四個字母ATCG有一個錯了，你可以用‘橡皮擦’把它擦掉，然后用‘鉛筆’寫入正確的字母，而‘鉛筆’‘橡皮擦’是不留在細胞里的。”

好消息是，今年1月底農業農村部制定公布了《農業用基因編輯植物安全評價指南（試行）》，進一步規范了農業基因編輯植物的安全評價管理，促進我國生物育種技術和產業發展。“在這個政策的鼓舞和鞭策下，相信我國很快會有更多的基因組編輯材料進入田間和市場。”高彩霞表示，下一步將深入開展小麥白粉病新種質資源的開發和推廣應用。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04395-9

（記者 馮麗妃）