植物免疫研究團(tuán)隊(duì)在小麥廣譜抗條銹病材料創(chuàng)制方面取得新進(jìn)展

11月3日，我院植物免疫研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Plant Biotechnology Journal》上在線發(fā)表了題為“Simultaneous editing of three homoeologs of  TaCIPK14  confers broad-spectrum resistance to stripe rust in wheat”的研究論文。該研究鑒定到一個(gè)感條銹病激酶基因 TaCIPK14 ，并利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了小麥廣譜抗病新材料。我院郭軍教授和康振生院士為論文的通訊作者，博士研究生何付新為論文的第一作者。

由條形柄銹菌小麥專化型（ Puccinia striiformis  f. sp.   tritici ,   Pst ）引起的條銹病是我國(guó)小麥生產(chǎn)上最重要病害之一。種植和培育抗病品種是防治小麥條銹病最經(jīng)濟(jì)有效的措施。然而，由于存在小麥抗病資源不足及品種垂直抗性易“喪失”等問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)抗銹育種面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，亟需挖掘新的基因資源，開(kāi)發(fā)新型抗病策略，改良小麥抗病性以實(shí)現(xiàn)小麥條銹病的持久控制。感病基因通過(guò)促進(jìn)病原菌識(shí)別、侵入寄主或負(fù)調(diào)控植物免疫反應(yīng)發(fā)揮感病的功能。通過(guò)基因編輯技術(shù)突變感病基因是改良植物抗病性的高效新途徑，已成為當(dāng)今國(guó)際植物病理界的研究熱點(diǎn)。

類鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B樣蛋白（Calcineurin B-like proteins，CBLs）結(jié)合的蛋白激酶（CBL-interacting protein kinases，CIPK）參與調(diào)節(jié)植物鈣信號(hào)依賴的各種生理過(guò)程。先前研究表明，水稻中OsCIPK14/15為倍增基因，并且正調(diào)控微生物相關(guān)分子模式誘導(dǎo)的防御反應(yīng)。序列分析發(fā)現(xiàn)，與水稻OsCIPK14/15不同，小麥的同源蛋白TaCIPK14和TaCIPK15出現(xiàn)序列分化，暗示TaCIPK14和TaCIPK15存在功能分化。瞬時(shí)沉默 TaCIPK14 后，小麥對(duì)條銹菌的抗病性顯著提高，伴隨著產(chǎn)孢減少、H₂O₂積累增加和病程相關(guān)基因顯著上調(diào)表達(dá)。進(jìn)一步創(chuàng)制了 TaCIPK14 的轉(zhuǎn)基因過(guò)表達(dá)材料，接種后發(fā)現(xiàn)該材料對(duì)條銹菌感病性增加，主要表現(xiàn)在產(chǎn)孢增加，活性氧積累減少和病程相關(guān)基因表達(dá)被顯著抑制。綜上表明 TaCIPK14 是小麥中一個(gè)感條銹病基因。

圖1. CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)介導(dǎo)小麥中 TaCIPK14 靶向突變

為了進(jìn)一步明確 TaCIPK14 的功能及其應(yīng)用潛力，本研究利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)在六倍體小麥中同時(shí)敲除了A、B、D基因組的 TaCIPK14 基因（圖1）。 TaCIPK14 突變株系對(duì)包括中國(guó)當(dāng)前條銹菌流行小種CYR32、CYR33和CYR34在內(nèi)的5個(gè)條銹菌小種產(chǎn)生了廣譜抗性。田間試驗(yàn)結(jié)果表明， TaCIPK14 突變株系與對(duì)照株系相比產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝性狀無(wú)顯著差異，接種后 TaCIPK14 突變株系的條銹病嚴(yán)重度從對(duì)照株系的64.5％降低到51.5％（圖2）。

綜上，該研究利用基因編輯技術(shù)突變小麥感條銹病基因 TaCIPK14 ，創(chuàng)制出廣譜抗病材料，在不影響產(chǎn)量性狀的前提下賦予了小麥對(duì)條銹菌的廣譜抗性，為作物抗病改良提供了新思路。

圖2 . TaCIPK14 突變株系的田間表型鑒定

該研究得到了旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的技術(shù)支持。并得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1401000），國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32172381和31972224），陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021ZDLNY01-01），陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2020JZ-13）和教育部111項(xiàng)目（B07049）資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13956

編輯：劉小鳳

審核：郭   軍