作為最重要的糧食作物之一，小麥養活了全球超過三分之一的人口。但和其他重要作物一樣，小麥的生長也時常受到病蟲害的影響。其中，由真菌感染引起的白粉病是全球範圍內小麥面臨的主要威脅之一，這種真菌能侵襲小麥的葉片及穗部、莖稈等部位，導致產量下降甚至整株植株倒伏，威脅全球糧食安全。
預防白粉病的線索來自大麥。上世紀80年代，科學家就找到了對白粉病具有抗性的大麥。後續研究發現，這株大麥擁有廣譜抗病性的原因在於MLO基因功能的喪失。現在，這一抗病性已經被引入大麥品種，但要讓小麥獲得這項能力卻困難得多。
2014年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞課題組和微生物研究所邱金龍課題組合作，在一篇《自然·生物技術》論文中揭示了這一現象背後的原因。小麥在A、B、D這3個基因組上各有一個MLO基因的拷貝，只有這3個拷貝同時被敲除，小麥才能獲得抗病性——這無疑是一個極小概率的事件。
自然界難以出現的現象，科學家利用現代技術手段實現了。該團隊藉助CRISPR人為敲除了小麥的全部3個MLO基因拷貝，獲得了具備持久、廣譜抗病性的小麥品種。不過新的問題來了：由於基因的多效性，MLO基因不僅僅是白粉病的感病基因，同時也會影響小麥的其他生理特性。結果就是，敲除了MLO基因的小麥會加速衰老，產量也明顯下降。
如何在賦予抗病性的同時，確保小麥的產量，成為高彩霞課題組與邱金龍課題組的下一個目標。終於，經過8年的合作研究，該團隊再次取得了重要進展——在一篇發表於《自然》雜誌的最新論文中，他們打造出兼具抗病性與產量的小麥品種，並且為抗病育種研究提供了重要指導。
高彩霞研究員介紹道，在2014年的工作發表之後，研究團隊在不同小麥品種中打造了大量的MLO基因突變體，“在後續的篩選過程中，我們驚訝地發現，有一株突變體在表現出抗病性的同時，株高和生長狀況比其他突變體都要好，與野生型小麥無異。”這個名為Tamlo-R32的突變體，就成為該團隊下一步的研究對象。
全基因組測序顯示，Tamlo-R32突變在B基因組上敲除了一段長達304千鹼基對的基因。如此大規模的基因缺失，會對基因表達造成怎樣的影響？
▲Tamlo-R32突變導致一段長達304千鹼基對的基因缺失（圖片來源：參考資料[1]）
RNA測序顯示，在基因敲除的區域，相關基因的表達不出所料地下調或無法檢測。但值得注意的是，在敲除區域上游，一個名為TaTMT3B的基因表達顯著上調。進一步分析發現，大段基因缺失改變了局部的染色質狀態，從而影響了TaTMT3B基因的表達。
TaTMT3B基因負責調控液泡膜單糖轉運蛋白3（TMT3）。因此，TaTMT3B的過表達使得TMT3大量合成。儘管具體的機制尚不明確，但研究團隊發現，TMT3轉運蛋白的大量分泌能避免MLO突變體所導致的減產等不利性狀。
揭示了Tamlo-R32突變能夠維持產量的機制后，研究團隊嘗試將這一突變引入小麥。作者首先通過傳統的育種手段將Tamlo-R32突變滲入小麥優良品種的基因組中，打造出兼具抗病性和高產量的品種。不過，這個基因滲入過程耗費的人力與時間成本較高，為了更高效地完成這一任務，研究團隊隨後利用多路復用CRISPR技術實現定向突變，僅用時2~3個月，就打造出具有廣譜抗病性的優良小麥品種。
▲藉助CRISPR技術，研究團隊打造出具有抗病性的優良小麥品種（圖片來源：參考資料[1]）
這項研究的另一項重要意義在於，作者還驗證了TMT3在模式植物擬南芥中的保守性，這說明這一思路不僅能應用於小麥，還在其他不同作物中具有廣譜潛力。
“這項研究是小麥抗白粉病育種的重要進展，為其他作物的抗白粉病育種提供了指導，充分展現了基因組編輯在現代農業生產中巨大的應用前景，”對於這項突破，植物病理學家、中國工程院院士康振生點評稱，“同時，該工作證明了疊加的遺傳改變可以克服感病基因突變帶來的生長缺陷，為作物抗病育種研究提供了新的理論視角。”
高彩霞研究員表示，目前研究團隊一方面正試圖揭示TaTMT3B過表達能避免減產的理論機制；另一方面，他們正在將這項研究應用於更多的小麥主栽品種中，並在基因編輯植物新政策的監管下，將逐步申請中間實驗和安全證書，以及後續的品種審定工作。