新浪科技综合|中国团队重要突破：基因编辑小麦登上《自然》

作为最重要的粮食作物之一，小麦养活了全球超过三分之一的人口。但和其他重要作物一样，小麦的生长也时常受到病虫害的影响。其中，由真菌感染引起的白粉病是全球范围内小麦面临的主要威胁之一，这种真菌能侵袭小麦的叶片及穗部、茎秆等部位，导致产量下降甚至整株植株倒伏，威胁全球粮食安全。

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预防白粉病的线索来自大麦。上世纪80年代，科学家就找到了对白粉病具有抗性的大麦。后续研究发现，这株大麦拥有广谱抗病性的原因在于MLO基因功能的丧失。现在，这一抗病性已经被引入大麦品种，但要让小麦获得这项能力却困难得多。
2014年，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组和微生物研究所邱金龙课题组合作，在一篇《自然·生物技术》论文中揭示了这一现象背后的原因。小麦在A、B、D这3个基因组上各有一个MLO基因的拷贝，只有这3个拷贝同时被敲除，小麦才能获得抗病性——这无疑是一个极小概率的事件。
自然界难以出现的现象，科学家利用现代技术手段实现了。该团队借助CRISPR人为敲除了小麦的全部3个MLO基因拷贝，获得了具备持久、广谱抗病性的小麦品种。不过新的问题来了：由于基因的多效性， MLO基因不仅仅是白粉病的感病基因，同时也会影响小麦的其他生理特性。结果就是，敲除了MLO基因的小麦会加速衰老，产量也明显下降。
如何在赋予抗病性的同时，确保小麦的产量，成为高彩霞课题组与邱金龙课题组的下一个目标。终于，经过8年的合作研究，该团队再次取得了重要进展——在一篇发表于《自然》杂志的最新论文中，他们打造出兼具抗病性与产量的小麦品种，并且为抗病育种研究提供了重要指导。

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高彩霞研究员介绍道，在2014年的工作发表之后，研究团队在不同小麦品种中打造了大量的MLO基因突变体， “在后续的筛选过程中，我们惊讶地发现，有一株突变体在表现出抗病性的同时，株高和生长状况比其他突变体都要好，与野生型小麦无异。 ”这个名为Tamlo-R32的突变体，就成为该团队下一步的研究对象。
全基因组测序显示， Tamlo-R32突变在B基因组上敲除了一段长达304千碱基对的基因。如此大规模的基因缺失，会对基因表达造成怎样的影响？

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▲Tamlo-R32突变导致一段长达304千碱基对的基因缺失（图片来源：参考资料<1>）
RNA测序显示，在基因敲除的区域，相关基因的表达不出所料地下调或无法检测。但值得注意的是，在敲除区域上游，一个名为TaTMT3B的基因表达显著上调。进一步分析发现，大段基因缺失改变了局部的染色质状态，从而影响了TaTMT3B基因的表达。
TaTMT3B基因负责调控液泡膜单糖转运蛋白3（TMT3）。因此， TaTMT3B的过表达使得TMT3大量合成。尽管具体的机制尚不明确，但研究团队发现， TMT3转运蛋白的大量分泌能避免MLO突变体所导致的减产等不利性状。
揭示了Tamlo-R32突变能够维持产量的机制后，研究团队尝试将这一突变引入小麦。作者首先通过传统的育种手段将Tamlo-R32突变渗入小麦优良品种的基因组中，打造出兼具抗病性和高产量的品种。不过，这个基因渗入过程耗费的人力与时间成本较高，为了更高效地完成这一任务，研究团队随后利用多路复用CRISPR技术实现定向突变，仅用时2~3个月，就打造出具有广谱抗病性的优良小麦品种。

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▲借助CRISPR技术，研究团队打造出具有抗病性的优良小麦品种（图片来源：参考资料<1>）
这项研究的另一项重要意义在于，作者还验证了TMT3在模式植物拟南芥中的保守性，这说明这一思路不仅能应用于小麦，还在其他不同作物中具有广谱潜力。
“这项研究是小麦抗白粉病育种的重要进展，为其他作物的抗白粉病育种提供了指导，充分展现了基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景， ”对于这项突破，植物病理学家、中国工程院院士康振生点评称， “同时，该工作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，为作物抗病育种研究提供了新的理论视角。 ”
高彩霞研究员表示，目前研究团队一方面正试图揭示TaTMT3B过表达能避免减产的理论机制；另一方面，他们正在将这项研究应用于更多的小麦主栽品种中，并在基因编辑植物新政策的监管下，将逐步申请中间实验和安全证书，以及后续的品种审定工作。
参考资料：
<1> Shengnan Li et al 。，Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties 。Nature （2022） https：//doi.org/10.1038/s41586-022-04395-9
<2> Scientists leverage multiplex genome editing to create disease-resistant wheat 。Retrieved Feb 9th ，2022 from https：//www.eurekalert.org/news-releases/942549
<3> Wang ，Y 。，Cheng ，X 。，Shan ，Q 。et al 。Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew 。Nat Biotechnol（2014）。https：//doi.org/10.1038/nbt.2969
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