通过“基因叠加技术”增强小麦抗锈病能力

（2021.1.30 国科农研院）

澳大利亚国家科学机构CSIRO的研究人员领导了一项国际项目，旨在通过将抗性基因“叠加”在一起，开发出具有更强、更持久的抗锈病新型小麦品种。“基因叠加”技术改变了常规育种中逐一添加抗性基因的方法，这相对于常规小麦育种方案来说是一项重大进步。研究人员开发了新的基因技术，可以将五种不同的小麦抗性基因结合并同时整合到小麦基因组中。相关的研究成果已经发表在《自然-生物技术》杂志上，并且根据发表的结果来看这种整合有效的防止了整合基因在植物繁育过程中的分离。

CSIRO首席研究员Mick Ayliffe博士表示，这种整合技术就相当于在门上放五把锁，只拥有其中一把钥匙时，您很难成功进入。现场测试也表明，基因叠加技术研发的小麦品种具有良好的应对多种锈病的能力。

在世界范围内，人们通过小麦摄入的热量约为总摄入热量的20%，这也使得保护小麦作物对世界粮食安全至关重要，除小麦之外，锈病对大麦，燕麦，黑麦和黑小麦等作物也具有明显的致病作用。锈病在世界各地都是一个重大难题，因此世界各地的科学家们协调合作，共同应对。来自澳大利亚联邦科学与工业研究组织，明尼苏达大学，奥尔胡斯大学，约翰·英内斯中心，美国农业部，新疆大学的研究人员组成了团队进行国际合作，专门攻克锈病的难题。

约翰英纳斯中心的布兰德·伍尔夫博士说到，目前已经利用MutRenSeq技术克隆了五个抗性基因中的两个，证明了这一技术的可行性。对于应对新的锈病流行，除了传统的方式之外也多了一种替代方案，同时也可以让转基因作物的反对者看到这一技术的独特优势，从而增加人们对转基因技术好感。目前正在开发的小麦基因叠加技术，是基于基因组编辑工具生产的不含基因修饰的作物品种，这些作物在美国等国家可能被视为非转基因作物。

小麦茎秆锈病在英国是一种历史悠久的病害，距离上一次锈病的爆发已经过去了60多年，但由于气候变化及现代小麦品种对锈病的抗性缺乏，导致病害卷土重来。小麦锈病可以迅速變异，这使得小麦育种者很难用传统育种方法迅速做出反应。但是，在一个基因库中编译多个抗性基因可以加强小麦的防御能力，并且更加高效。

Ayliffe博士说，这项研究目前针对的是茎锈病，但该技术也可以用于培育抗条锈病和叶锈病等品种，并可以在现有的不同小麦品种中增强锈病抗性。还不清楚这种新的基因叠加技术的上限。目前拥的最大的是含有8个抗性基因的叠加，可能提供更多的抗锈病保护。目前对于小麦及其野生亲缘植株的抗病基因的发掘和克隆也取得了较大进展，主要的技术包括：

MutRenSeq

结合诱变和抗性基因富集测序（RenSeq），这项技术可以定位细胞内的免疫受体，从而降低小麦基因组测序的成本。在小麦中，有超过3000个免疫受体基因。这项技术的研发使得科学家快速克隆了抗茎锈病基因Sr22、Sr45、Sr26、Sr60和抗条锈病基因Yr5a、Yr5b、Yr7。

MutChromSeq

另一种降低小麦基因组复杂性的方法是将该基因映射到其21条染色体中的一条上。由于染色体流分类和纯化技术的改进，现在几乎可以对任何小麦品种的单个染色体进行排序。通过诱变与染色体流分选（MutChromSeq）相结合，分离出小麦抗白粉病基因Pm2。

AgRenSeq

该技术使用自然状态下的遗传结构，即重新组合和突变，这在一个小麦的野生群体中积累了数千年，从而绕过了生成所需要的遗传结构的过程，如MutRenSeq或MutChromSeq。AgRenSeq需要一个遗传多样性的面板，其次是RenSeq和表型。这项技术将发现和克隆结合在一起，大大减少了克隆抗病基因的时间线和成本。一旦一个面板被序列配置和扩大，它可以一次又一次地用于对抗不同的病原体和病原体分离物。通过AgRenSeq技术迅速完成了Sr46的克隆和SrTA1662候选基因的鉴定（Arora et al.2019）。

改进的小麦基因组组装技术和小麦转化方法很可能在未来2-4年内显著降低研究障碍。这将为生产和测试多抗性转基因作物提供原料，这些转基因作物不仅可以对抗茎锈病，还可以对抗小麦和其他重要作物的许多其他主要病害。