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研究背景
小麦作为主要粮食作物之一，养活了全球约三分之一以上的人口。而白粉病是世界范围内影响小麦产量的主要病害之一，重病小麦的田减产可达40%以上，严重威胁全球粮食安全。
早在年，中科院遗传发育所高彩霞团队和微生物所邱金龙团队就合作利用基因组编辑技术，定向突变了小麦的感病基因MLO，获得了对白粉病具有广谱持久抗性的小麦品种[1]。
然而新的问题来了：由于基因的多效性，MLO基因不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。研究人员发现小麦mlo突变体表现出白粉病抗性的同时，也出现了早衰、产量下降等负面表型，从而可能限制其在生产上的广泛应用。那如何创造出兼具抗病性与产量的小麦品种呢？终于，经过8年的合作研究，该团队再次取得了重要进展......
论文概述
年2月9日，两大团队再次合作在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Genome-editedpowderymildewresistanceinwheatwithoutgrowthpenalties的研究论文[2]。
该研究阐明了小麦新型mlo突变体兼具抗病性与高产的分子机制，并利用基因组编辑技术快速获得具有广谱抗白粉病且高产的小麦优异新品系。这一工作是利用感病基因MLO进行植物抗病育种研究的重要理论和技术突破。
研究思路及结果展示
1、发现具有抗病性且无生长缺陷的突变株Tamlo-R32
研究团队在筛选mlo基因小麦突变群体时，发现一个新型mlo突变株Tamlo-R32，它在表现出对白粉菌抗性的同时，生长发育和产量完全正常（图1a-e）。对其进行全基因组测序后结果显示，Tamlo-R32突变株系在TaMLO-B1位点第二个外显子位置有-kb碱基对的大片段缺失（图1f-g），如此大规模的基因缺失，会对基因表达造成怎样的影响呢？
图1Tamlo-R32突变株系表现出不影响生长和产量的抗病性
2、TaTMT3B基因在Tamlo-R32突变株中上调表达
为了研究这种大缺失的影响，研究团队利用RNA-seq、qRT-PCR等方法检测了缺失位点附近基因的表达，测序结果显示，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，位于缺失位点上游的TaTMT3B基因表达显著上调（图2a-b）。进一步利用CUTTag和ATAC-seq等方法检测了该位点组蛋白修饰和染色体互作情况，结果显示（图2c-e），Tamlo-R32突变体在TaMLO-B1位点附近存在的大段基因缺失，改变了局部的染色质状态，从而激活TaTMT3B基因的上调表达。
图2Tamlo-R32突变体中染色质状态的改变导致TaTMT3B基因上调表达
3、验证TMT3在拟南芥中的保守功能
为了验证TaTMT3B基因的功能，研究团队将Tamlo-R32突变株系中的TaTMT3B敲除，果然植株恢复了高度降低和产量下降的不良表型（图3a-c）。进一步将TaTMT3B在产量缺陷突变体Tamlo-aabbdd中超表达，结果显示株高和产量负效应消失，而白粉病抗性没有受到影响。通过基因敲除和过表达，证明TaTMT3B的过表达拯救了Tamlo-R32突变体的生长缺陷（图3d-h）。有趣的是，研究团队在拟南芥Atmlo2/6/12突变体中超表达AtTMT3，也可以很大程度上恢复突变体中叶片早衰的表型，表明TMT3基因功能上的保守性（图3i）。
图3TMT3基因的表达弥补了mlo突变体造成的表型缺陷
4、借助基因组编辑技术打造出具有抗病性的优良小麦品种
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。首先通过传统的育种手段将Tamlo-R32突变渗入小麦主栽品种中，发现确实可以显著提高这几个品种的白粉病抗性。不过，普通的遗传转育方法费时耗力，为了更高效地完成这一任务，研究团队随后利用CRISPR-Cas9技术实现定向突变，仅2-3个月就成功获得了具有广谱白粉病抗性，且生长和产量均不受影响的小麦品种（图4），证实了Tamlo-R32突变基因在生产上的应用价值。
图4使用CRISPR-Cas9技术将Tamlo-R32等位基因快速引入优质小麦品种的示意图
综上，本研究在小麦中发现了一个新的既抗病又不会造成减产的Tamlo-R32超级等位基因型，利用基因编辑技术，已快速创造广谱抗白粉病且高产的小麦优异新品系。更重要的是，也证实了TMT3基因在拟南芥中的保守功能，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，为培育抗病高产作物品种提供了新的策略和技术路线。
研究人员在验证和量化染色质互作情况时利用Q产品完成操作，进一步揭示了Tamlo-R32突变体中染色质状态的改变激活TaTMT3B基因上调表达的分子机制。
参考文献：
[1]WangY,ChengX,ShanQ,etal.Simultaneouseditingofthreehomoeoallelesinhexaploidbreadwheatconfersheritableresistancetopowderymildew[J].NatureBiotechnology,,32(9):-.
[2]LiSN,LinDX,ZhangYW,etal.Genome-editedpowderymildewresistanceinwheatwithoutgrowthpenalties.Nature,–().