首都科普公众号
首都科普微博

​揭开白粉病抗性位点MLO的神秘面纱

来源:中国科学院微生物研究所 发布时间:2022-05-07

仓廪实,天下安。粮食安全是“国之大者”,是维护世界和平与发展的重要保障,也是保证国家安全的重大战略问题。植物病害每年造成全球作物减产可达30%,是危害粮食安全的主要原因之一。目前伴随着全球气候变化、耕作制度改变以及种植品种单一化等多种因素的叠加,植物病害更加频繁地发生。单纯依靠增加农药和化肥的使用,不仅造成致病微生物抗药性增强,更会严重危害生态环境。如何保障粮食安全?我们应该“向科学要答案”。面对各种病害的威胁,选育和推广农作物抗病新品种是防治病害最经济、有效和环境友好的策略。

显性抗性(R)基因在植物抗病育种中发挥了重要作用。R基因编码的抗性蛋白通过直接或间接识别病原菌效应蛋白并触发免疫反应。然而,R基因介导的抗性具有小种特异性,很容易随着病原菌新的生理小种的出现而丧失。病原菌也很狡猾,它可以利用植物的基因帮助自身侵染植物,这些基因即是感病(S)基因。因此,S基因的隐性突变通常赋予植物对病原菌持久和广谱抗性。

白粉病是由专性寄生真菌引起的病害。自然界中存在650多种白粉菌,可感染约1万种植物;因此,白粉病是世界范围内危害最严重的真菌病害之一。小麦是当前世界上最重要的主粮作物之一,为超过全世界三分之一的人口提供能量来源。白粉病从小麦幼苗至成苗的各个生长发育阶段均可发生,主要危害叶片,严重时也危害叶鞘、茎秆和穗子,不仅会造成小麦大幅减产,还会造成小麦品质下降。

1_cMrvtkonOAYRz4ry71572NbibW8Wqw.png

图1 小麦白粉病 (图片来源于网络)

上世纪三、四十年代,一种全新的对白粉病具有广谱抗性的突变体在人工诱变的大麦群体中被发现。在该突变体中MLO(Mildew resistance Locus O)基因发生了功能缺失突变。有趣的是,与显性遗传的R基因介导的抗性不同,mlo突变体的白粉病抗性是隐性遗传。随后,一个天然的弱等位突变mlo-11在非洲被发现,并通过传统育种广泛引入欧洲的大麦主栽品种。目前,mlo抗性在大麦中已应用近60年仍未被打破。重要的是,多项研究证明植物MLO负调控对白粉菌抗性的功能在进化上是高度保守的。在多个物种中包括番茄、马铃薯、豌豆、辣椒和葡萄等,MLO功能缺失突变体都表现出对相应白粉菌的持久广谱抗性。大麦的MLO基因于1997 年被克隆,该基因编码一个具有七个跨膜域的质膜蛋白。虽然MLO蛋白具体的生化功能及其调控抗病反应的机理还没有被完全解析,但研究发现MLO介导的抗性主要发生在白粉菌穿透寄主细胞的阶段。因此,MLO作为一个经典S基因,在广谱持久的白粉病抗性种质开发方面具有很好的潜力。

植物感病基因通常都具有非常重要的基础生理功能,其突变在赋予抗性的同时也会给植物的生长发育带来多种负面效应,从而极大地限制了感病基因这一遗传资源宝库在植物抗病育种中的应用。例如,在大麦和拟南芥中,MLO突变会引发叶片细胞壁胼胝质沉积和细胞的自发性死亡;同时,mlo突变体表现出早衰表型。也正因如此,目前广泛应用于大麦育种的mlo-11,是一个天然的弱等位突变体,它会有较低程度的感病但降低了对生长发育的影响。然而,在植物中发现天然MLO弱等位突变无异于大海捞针,可遇不可求!但是技术进步永远推动我们前进的步伐。最近,生命科学的颠覆性技术基因组编辑为我们创新利用MLO基因提供可能。

2_wkFf6ULkCOkRKcglx8bJqqh8uB5oXQ.png

图2 小麦mlo纯合突变体表现出对白粉菌的抗性(Wang, et al., Nature Biotech, 2014)

鱼与熊掌可以兼得吗?答案是肯定的。中科院科学家经过多年努力,终于找到了打开利用植物感病基因这一重要遗传资源宝库的金钥匙。通过筛选小麦MLO基因编辑突变群体,他们获得了一个新型小麦突变体Tamlo-R32。该突变体高抗白粉菌,同时生长发育和产量正常。进一步研究发现,Tamlo-R32突变体基因组发生了大片段删除,导致TaTMT3B基因的异位表达。TaTMT3B基因表达水平的上升克服了感病基因MLO突变引起的负面表型,最终实现了抗病和产量的双赢。重要的是,研究还发现在拟南芥中过表达TMT3同样能够克服其mlo突变体早衰的负面表型,同时保持了对白粉菌的抗性,表明这一机制在不同植物中都存在。为了将研究成果应用于抗病育种,研究人员利用CRISPR基因组编辑技术,直接在多个小麦主栽品种中快速创制相应的突变,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新种质。相比于传统育种方法,基因组编辑育种可极大地缩短了育种进程。该研究充分展现出基因组编辑在现代农业生产中巨大的应用前景,尤其对复杂基因组农作物的改良方面,对保障粮食安全具有重大意义。

3_4yW0OJWZl7GibXU2ADYpqZnXANOiaQ.png

图3 小麦Tamlo-R32突变体兼具抗病和高产(Li, et al., Nature, 2022)

A-D, Tamlo-R32抗白粉病且无生长缺陷;E,Tamlo-R32在TaMLO-B1附近产生304Kb大片段缺失;F,利用基因组编辑快速获得抗白粉病小麦新种质。

该工作阐明了小麦新型mlo突变体既抗白粉病又高产的分子机制,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,是小麦抗白粉病育种的重要进展。这项研究是利用感病基因进行植物抗病育种研究的重要理论和技术突破,也为培育抗病高产作物品种提供了新的思路和技术路线。“我相信这一具有重要理论与实际应用价值的研究工作将成为作物育种领域标志性的成果。”西北农林科技大学康振生院士对此评论说。同时,中科院遗传发育所周俭民研究员也给予了充分的肯定“小麦抗白粉病高产品系编辑技术的建立,使我国在农作物基因组编辑育种产业化道路上迈出了重要的一步”。

 

参考文献

Consonni, C., Humphry, M., Hartmann, H. et al. (2006) Conserved requirement for a plant host cell protein in powdery mildew pathogenesis. Nat Genet 38, 716–720. 

Jacott, C., Ridout, C and Murray, J. (2021) Unmasking Mildew Resistance Locus O. Trends Plant Sci. 26, 1006-1013.

Li, W., Deng, Y., Ning, Y. et al. (2020) Exploiting broad-spectrum disease resistance in crops: from molecular dissection to breeding. Annu. Rev. Plant Biol. 71, 575–603.

Li, S., Lin, D., Zhang, Y. et al. (2022) Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties. Nature 602, 455–460. 

van Schie, C. & Takken, F. (2014) Susceptibility genes 101: how to be a good host. Annu. Rev. Phytopathol. 52, 551–581.

Wang, Y., Cheng, X., Shan, Q. et al. (2014) Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew. Nat Biotechnol 32, 947–951.