Current Biology | 植物病理学：精确的基因组工程使小麦病害得到遏制！

2022年4月25日，国际权威学术期刊Current Biology发表了澳大利亚国立大学John Rathjen团队的题为Plant pathology: Precision genome engineering keeps wheat disease at bay的观点论文。

小麦占人类所消耗热量的20%左右，很难低估其在全球的重要性。由于其广泛的种植，产量的小幅下降或价格的上涨会对粮食安全和社会秩序造成破坏。像所有的农作物一样，小麦不断受到病虫害的侵袭；必须仔细管理损失，以防止持续的小规模爆发成为破坏性的流行病。精英小麦品种的一个理想特征是抗性（R）基因赋予的抵御这种攻击的先天能力，从而减少对合成杀虫剂的重复应用。抗性基因在植物育种计划中被广泛使用，但却很脆弱，快速演变的病原体往往能够逃脱这种水平的监控。因此，持久的抗病性是作物育种者所追求的目标。一个著名的持久抗性例子是Stem rust resistance 2基因（Sr2），它提供了对真菌锈病的抗性。另一个例子是由Mildew resistance locus O基因（MLO）的功能缺失等位基因导致的，它对真菌性疾病白粉病具有广谱抗性。某些大麦mlo突变体在田间保持这种抗性已超过30年。然而，并不是所有的mlo突变体都是有用的；有些突变体与自发的细胞死亡和早期衰老有关，同时伴随着整体产量的下降。经过几十年的艰苦育种，在精英遗传背景中选择最佳的mlo等位基因，以获得对白粉病有抗性的大麦品种，而且不会带来产量的损失。在最近的Nature杂志上（Nature | 有得未必有失？中科院微生物所和遗传发育所研究揭示基因组编辑的小麦抗病且高产！），科研人员现在描述了一种快速的策略，在保留正常植物生长特性的同时，对所有三个相关的小麦MLO基因进行突变，从而成功地设计出对白粉病的抗性而不受惩罚。

面包小麦（Triticum aestivum）是一种遗传上的六倍体，大约在1万年前在田地里出现，是四倍体和二倍体小麦的共同栽培。现在，它是种植和交易最广泛的主食作物，几乎在所有大陆都有种植，这意味着它暴露在巨大的环境中。植物育种者必须使品种适应区域和当地条件，并减轻对病虫害的敏感性。虽然几千年来农民对理想性状的选择一直在逐步推进，但植物育种越来越多地利用我们对遗传学的理解来加速作物的发展。利用现代分子技术，作物育种可以进一步加速。精确的基因组工程工具，如CRISPR和TALENs，可以对特定的基因进行有针对性的修改，从而快速地加入有益的性状。这些技术非常适用于小麦研究，因为它们可以同时改变三个亚基因组中每一个密切相关的基因。

虽然大麦中由MLO介导的对白粉病的抗性需要修改一个基因，但由于小麦的六倍体，将同样的策略应用于小麦一直是个挑战：不是针对一个基因，而是必须敲除所有三个相关的小麦MLO拷贝。这对经典的诱变技术来说是一个严重的挑战，尽管不是不可克服的，但使用定向基因组工程方法更容易解决。2014年，使用TALENs来提高小麦对白粉病的抗性是首次实现的。不幸的是，所有三个MLO基因的完全敲除导致了早期的叶片衰老表型，类似于以前与大麦的产量缺陷有关的表型。相比之下，较弱的MLO突变体等位基因赋予了小麦有用的白粉病抗性水平，但没有明显的生长缺陷。然而，重要的是，这些研究没有对产量特征进行实地评估。在小麦中，与大麦一样，MLO基因敲除的程度与严重的生长缺陷呈正相关，功能完全丧失的小麦具有很强的白粉病抗性，但以其他有害性状为代价。

在一个真正的科学偶然性的例子中，科研人员利用基因组工程工具创造了新的小麦MLO基因敲除突变体，从而产生了一个突变体R32，它既抗霜霉病，又缺乏与以前的三重基因敲除有关的生长惩罚。对R32基因组的仔细检查证实了A和D-MLO基因的功能缺失突变，但也发现了从MLO-B的第二个外显子延伸出来的碱基的意外缺失。因此，所有三个MLO基因都被破坏了，预计这也会干扰正常的生长和发育。科研人员通过使用RNA测序分析检查靠近缺失的基因的转录情况，进一步研究了这个突变体。大多数基因没有受到影响，但有一个名为Tonoplast单糖转运体3（TMT3）的基因，编码一个糖类转运体，被强烈上调。模式植物拟南芥中类似的TMT基因在干旱、寒冷和盐胁迫下表达增加，并被认为可以调节液泡和细胞膜中的糖水平。为了证实其参与mlo生长缺陷，使用CRISPR在R32系中敲除TMT3。由此产生的突变体恢复了与三重MLO敲除相关的缺陷。同样，TMT3在mlo三联突变体中的转基因过表达也挽救了生长缺陷，证实了TMT3在抑制mlo相关缺陷中的作用。

这项工作它不仅缓和了mlo表型的恶劣影响，而且可能暗示了一种基于糖的白粉病抗性机制。科研人员并不满足于此，他们用CRISPR构建体转向了一个新的精英小麦栽培品种，并再现了R32突变体的基因组变化。新的突变体确实表现出对白粉病的抗性，尽管其生长和产量还有待评估。这一策略有可能为将这一基因型纳入更多的精英栽培品种提供一种快速的方法，否则传统的育种技术将更难实现。考虑到全球种植的数千个小麦品种，这最后一步非常有前途。最终，小麦mlo突变体在田间的成功可能取决于因失去MLO而获益的病原体的流行和出现（图1）。

图1. 成功利用mlo突变体需要正确平衡抗病性状和产量性状

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