2022年1月28日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所楊平課題組在國際期刊New Phytologist上在線發(fā)表了題為“Simultaneous editing of host factor gene TaPDIL5-1 homoeoalleles confers wheat yellow mosaic virus resistance in hexaploid wheat”的研究論文，通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)同時編輯六倍體小麥A,、B,、D亞基因組上TaPDIL5-1基因的3個拷貝,，賦予了小麥對黃花葉病的抗病性（圖1）,，證實了首個抗小麥病毒病基因,。

• 多倍體化是物種形成過程中的一種普遍現(xiàn)象。

普通小麥?zhǔn)钱?dāng)今世界三大糧食作物之一,，是經(jīng)兩次天然雜交,、染色體加倍形成的異源六倍體植物，基因組上超過95%的編碼基因具有2-3個同源拷貝,，彼此序列高度相似且功能冗余,，賦予了小麥更好的環(huán)境適應(yīng)性和更為廣泛的用途。植物病毒是三大病原微生物之一,，絕大多數(shù)的RNA病毒僅能編碼4-10個功能蛋白,，必須依賴植物蛋白（被稱為宿主因子）輔助完成病毒自身的增殖和傳播。編碼宿主因子的基因突變或者缺失,，使得病毒不能感染宿主植物,，這種遺傳抗病性機(jī)制被稱為隱性抗病性。

以土壤禾谷多黏菌為中間載體傳播的病毒病害,，是小麥,、大麥等麥類作物的主要病毒病害。其中,，小麥黃花葉病由小麥黃花葉病毒（WYMV）引起,，大麥黃花葉病由大麥黃花葉病毒（BaYMV）和大麥溫和花葉病毒（BaMMV）單一或復(fù)合感染引起，這三種病毒均屬于馬鈴薯Y病毒科的大麥黃花葉病毒屬,。

在小麥中,，目前報道了數(shù)十個抗病基因，但是由于病毒病表型鑒定準(zhǔn)確性低且小麥基因組高度復(fù)雜,，極大增加了基因克隆的難度,，目前尚無抗病毒基因被克隆。中國農(nóng)科院作科所楊平課題組前期發(fā)現(xiàn),，大麥（二倍體）中BaYMV/BaMMV抗病基因絕大多數(shù)為隱性遺傳,，小麥（六倍體）中WYMV抗病基因均為顯性遺傳，因此假設(shè)小麥基因同源拷貝的功能冗余,，掩蓋了單個或部分基因拷貝變異引起的隱性抗病遺傳效應(yīng),，導(dǎo)致多倍體物種中報道的隱性抗病基因遠(yuǎn)少于二倍體物種。

為了驗證該假設(shè),，研究團(tuán)隊鑒定了小麥TaPDIL5-1基因在A,、B、D亞基因組上的同源拷貝,。該基因在大麥中的同源基因HvPDIL5-1編碼一個蛋白二硫鍵異構(gòu)酶,，其功能丟失對BaYMV和BaMMV具有廣譜抗病性。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù),，我們獲得了TaPDIL5-1在A,、B,、D亞基因組上基因編輯的小麥材料，通過人工雜交和分子標(biāo)記輔助選擇,，構(gòu)建了TaPDIL5-1三個拷貝均被編輯的4個純合株系,，以及分別敲除單個或者兩個拷貝的純合株系。接種WYMV病毒發(fā)現(xiàn),，TaPDIL5-1三個拷貝同時編輯的材料對WYMV抗病,，單突變體或雙突變體仍為感病（圖1）,。由此證實，TaPDIL5-1編碼感病宿主因子參與WYMV感染,，編輯該基因可以創(chuàng)制小麥黃花葉病的隱性抗病性材料,。

圖1 編輯小麥基因TaPDIL5-1的三個同源拷貝賦予對小麥黃花葉病的遺傳抗病性

在正常種植條件下，TaPDIL5-1三個拷貝同時編輯的材料與未編輯的野生型比較,，株高,、抽穗期、穗長,、穗數(shù),、穗粒數(shù)、穗密度,、粒長,、粒寬、千粒重等九個農(nóng)藝性狀均沒有顯著差異（圖2）,。小麥黃花葉病是黃淮,、長江中下游等冬小麥種植區(qū)的重要病害之一，通過基因編輯主栽小麥品種中的TaPDIL5-1基因,，可以改良品種對小麥黃花葉病的抗病性,。與轉(zhuǎn)基因過表達(dá)病毒反向序列沉默病毒的策略不同，編輯小麥內(nèi)源基因不用會引入外源序列,。

三位文章評審專家對本研究給予了高度評價：

• 一方面認(rèn)為本研究克隆了首個小麥抗病毒基因,，可供禾本科作物的病毒學(xué)、病毒遺傳抗病性與病毒互作,、基因編輯,、小麥育種、多倍體化等領(lǐng)域研究參考,；

• 另一方面首次證實通過基因編輯技術(shù)可以在多倍體小麥中創(chuàng)制小麥病毒病的隱性抗病性材料,，為多倍體物種中發(fā)掘和創(chuàng)新利用病毒遺傳抗病性提供了新路徑。

圖2 小麥基因TaPDIL5-1編輯植株的農(nóng)藝性狀統(tǒng)計

研究結(jié)果表明,，現(xiàn)代育種改良通過G蛋白路徑和生長素路徑等多通路協(xié)調(diào)互作的模式對赤霉素路徑進(jìn)行選擇修飾與精細(xì)調(diào)控,，可實現(xiàn)后綠色革命時代新的高產(chǎn)目標(biāo)。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所闞金紅博士和已畢業(yè)碩士生蔡羽為論文共同第一作者，楊平研究員為通訊作者,，在讀碩士生程春園,、博士生金彥龍、副研究員蔣樅璁博士參與了本研究工作,。特別感謝中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所轉(zhuǎn)基因中心葉興國研究員,、王軻副研究員在小麥轉(zhuǎn)化工作上給予的幫助，江蘇省里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所何震天研究員,、陳士強(qiáng)副研究員在田間試驗上給予的幫助和支持,，沙特阿卜杜拉國王大學(xué)Simon G. Krattinger助理教授對文章寫作提出的修改建議。此項工作得到了國家重點研發(fā)計劃,、國家自然科學(xué)基金,、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程和基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助。

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