题目：Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties作者及单位：中科院遗传发育所高彩霞研究员、中科院微生物所邱金龙研究员和中科院遗传发育所肖军研究员为共同通讯作者，邱金龙课题组助理研究员李盛楠，高彩霞课题组博士生林德行、博士后张韫玮，肖军课题组博士生邓民为共同第一作者。AceQ® qPCR Probe Master Mix（货号：Q112，用于探针法qPCR检测）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2014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......2022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-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties 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。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304-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1 Tamlo-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CUT&Tag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2 Tamlo-R32突变体中染色质状态的改变导致TaTMT3B基因上调表达为了验证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3 TMT3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。诺唯赞（Vazyme）的AceQ® qPCR Probe Master Mix（货号：Q112）探针法qPCR试剂助力该项研究。研究人员在验证和量化染色质互作情况时利用Q112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。AceQ® qPCR Probe Master Mix（货号：Q112）专为高特异性、高灵敏度实时定量PCR而设计。预混液含有AceTaq® HS DNA Polymerase，配合优化的反应体系，可以有效抑制非特异性扩增，从而显著提高PCR反应的扩增效率，使定量PCR可以在宽广的定量区域内获得良好的线性关系。兼容各类荧光探针，适合于高特异性的检测体系，并可用于多重荧光定量PCR检测。包装内含有两种不同浓度的ROX内参染料，可根据具体使用机型选择添加。诺唯赞始终坚持以高质量产品服务客户，期望与更多科研工作者携手同行，在生命科学的各个领域永攀高峰。AceQ® qPCR Probe Master Mix（货号：Q112）1. 严谨的热启动酶：基于化学法热启动的AceTaq® DNA Polymerase，提供完美的扩增特异性。2. 卓越的扩增性能：优化的反应体系有效抑制非特异扩增，显著提高PCR反应的扩增效率。3. 稳健的重复性：重复可靠的定量结果，满足高水平杂志的数据要求。Vazyme提供更多AceQ系列----探针法定量产品满足客户不同需求[1] Wang Y , Cheng X , Shan Q , et al. Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(9):947-951.[2] Li S N, Lin D X, Zhang Y W, et al. Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties. Nature 602, 455–460 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04395-9.
