基因技术“编织”小麦育种新思路

2014-07-23 | 作者: 倪思洁 | 标签: 小麦育种

培育对白粉病具有持久、广谱、高抗特性的小麦抗病品种,是育种领域的重大挑战。中科院遗传发育所和微生物所科学家合作,利用最新基因组编辑技术,近日在该领域获得重要突破——

7月19日,周六。中科院遗传发育所研究员高彩霞和课题组成员依旧像工作日一样,在实验室忙碌着。

高彩霞告诉记者,这样“打鸡血”的日子已持续了一年半。

辛苦的付出终于换来不错的回报。近日,课题组和中科院微生物所研究员邱金龙课题组合作,利用最新的基因组编辑技术,首次在六倍体小麦中对MLO基因的3个拷贝同时进行了突变,使小麦对白粉病具有了广谱抗性。7月20日,该研究成果在线发表于《自然—生物技术》杂志。

“基因组编辑技术在复杂多倍体植物中的应用难度很大,而他们获得了成功,这是很不容易的。”中科院遗传发育所分子农业生物学研究中心主任王道文在接受《中国科学报》记者采访时感慨道。

小麦难抗白粉病

7月19日,烈日当空。研制抗白粉病小麦的试验正在温室里进行。

在这间白天维持在22摄氏度的温棚里,一个个长方形的小“试验田”里正生长着小麦幼苗。细看叶片,一些小麦叶片青翠,而一些小麦幼苗的叶片上长出一粒粒白斑,像发了霉一样,用指甲一碰,白斑粉便会沾在手上。

“青翠的小麦具有抗白粉病性状,长白斑的则是感染了白粉病。”高彩霞告诉记者,白粉病是小麦的主要病害之一,会严重影响小麦的产量和品质。

不过,培育对白粉病具有持久、广谱、高抗特性的小麦抗病品种,一直是小麦育种领域的重大挑战。

高彩霞介绍说,与水稻等二倍体植物不同,小麦是异源六倍体植物,包含3套基因组。小麦的基因组庞大,且重复序列含量高达80%~90%。“在水稻里,一个性状是由一套基因组控制的,而到了小麦身上,就涉及3套基因组。”高彩霞说。

正因如此,通过基因组编辑技术实现小麦基因的定向突变成为技术难点,而传统的化学诱变、物理辐射诱变等突变育种方法,也很难让六倍体小麦获得对白粉病的免疫力。

基因组“编辑师”

对于高彩霞课题组的成员来说,他们不仅是分子育种工作者,更是基因“编辑师”。

高彩霞告诉记者,最早他们决定通过修饰MLO基因让小麦获得白粉病抵抗力的思路是由邱金龙提出的。这一提议让她的研究思路清晰了不少。

据了解,大麦与小麦亲缘关系较近,在大麦中MLO基因的功能缺失突变会使其对白粉病产生“免疫力”。也就是说,只要从大麦中敲除MLO基因,大麦就不会感染白粉病。

对于小麦来说,“普通小麦的3个基因组中,每个基因组上都有MLO基因。如果能将小麦的MLO基因敲除,就有望获得具有抗白粉病的小麦品种”。高彩霞说。

为准确敲除MLO基因,高彩霞课题组选择了2种基因组编辑技术——TALEN技术和CRISPR技术。

高彩霞介绍说,与此前的基因组编辑技术相比,这2种新技术不仅能“指哪打哪”,准确编辑基因组,而且技术门槛较低。不过,尽管目前这些新技术已被成功应用于水稻、大豆、玉米、拟南芥甚至猴子等动植物的基因修饰,但尚未在复杂的六倍体小麦中得到成功应用。

此次,高彩霞及其研究团队发现,对于六倍体小麦,利用基因编辑技术既可以同时“加工”多个基因组上的基因,也可以只“加工”单个基因组上的基因。而且,只有将小麦3组基因组上的MLO基因全部敲除,小麦最终才能获得持久、广谱的白粉病抵抗能力。

来之不易的“精美”

“这是一项非常精美的研究成果。”《自然—生物技术》杂志匿名评审专家在评审语中感慨。

另一位评审则表示,这项工作是小麦分子育种的一项突破,考虑到分子知识应用于复杂小麦基因组中的困难,这是一个了不起的进步。

“目前,基因组修饰的小麦材料对白粉病表现出良好的广谱抗性,为小麦抗病基因功能研究以及育种新材料和品种培育提供了全新思路和技术路线。由于目前基因组定向编辑的终产物与常规育种相似,美国等地区极有可能将其定为非转基因植物,所以成果产业化前景比较好。”王道文说。

不过,在他看来,这项最新成果来之不易。“研究中筛选获得了约500棵植株,其中在35棵植株里检测到目标基因修饰。在这35棵中,有一棵是3个目标基因同时发生了修饰。从‘500’到‘35’到‘1’,最后的‘1’才是研究人员最希望得到的。”王道文说。

对此,高彩霞认为,虽然该研究为多倍体小麦的分子育种提供了一个新思路和技术框架,但目前小麦基因组定向编辑的工作量很大,在未来的工作研究中还需要进一步优化技术,提高效率。

中科院遗传发育所相关人员也表示,将进一步加强基因组编辑技术的平台建设,为未来新的更大突破创造条件。

来源:中国科学报

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