科技创新进展：展望利用基因组编辑技术创制既抗病又高产作物种质新策略
近日，我所寇艳君研究团队和王克剑研究团队合作在Trends in Plant Science期刊发表了题为“Genome editing creates disease-resistant crops without yield penalties”的热点评论文章，该文系统阐述了利用基因编辑技术创制既抗病又高产的作物种质的重要研究进展，并对多种新的基因编辑技术以及它们在抗病领域内的应用前景进行了探讨。
作物在田间面临着各种病原体的挑战，因此经常导致严重的产量损失。培育抗病品种被认为是控制作物病害最环保、有效的方法。然而，抗病品种在抗病性和产量之间往往存在着平衡，应用广谱持久抗病基因同时能够平衡高抗病性和高产量是抗病育种的一个瓶颈问题。因此，迫切需要开发有效和有针对性的策略以维持植物抗病性和生长发育之间的平衡。基因组编辑技术作为一种颠覆性技术，如CRISPR/Cas9系统和精确编辑系统Prime Editor，可以将作物的生长和抗病防御解偶联，从而在不影响产量的情况下提高作物的抗病性。
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Mildew-resistance locus O（MLO），获得了对白粉病具有广谱持久抗性的小麦品种。然而，这些品种出现了早衰、产量下降等负面表型，限制了其在生产上的广泛应用。2022年，他们进一步在MLO突变体基础上，发现靶向缺失一段名为Tamlo-R32的304 Kb的序列，能够在赋予强大白粉病抗性的同时，又保持小麦的生长和产量。
近期，华中农业大学李国田团队开发了通过基因编辑利用类病斑（LMM）基因的新方法。该团队在克隆广谱抗病类病斑基因RBL1的基础上，通过使用CRISPR/Cas9系统，创制了增强作物广谱抗病性且稳产的新等位基因型RBL1Δ12，该基因在作物中高度保守，与传统抗病基因相比，可打破物种界限、普适性更强，具有巨大抗病育种应用潜力。该案例表明，通过基因组编辑和筛选的方法，能够获得人工创造的新等位型，打破抗性与产量之间的平衡。
多项研究证实，利用CRISPR/Cas9系统成功编辑了许多水稻和玉米的感病基因，并取得了抗性提高的材料。最近，美国佛罗里达大学Nian Wang研究团队利用Cas12a/crRNA核糖核蛋白（RNP）技术，在柑橘中成功实现了对溃疡病感病基因CsLOB1的编辑，增强了柑橘对溃疡病的抗性，同时没有引入外源转基因成分。将这种策略应用于柑橘等果树的一个重要优势在于大大缩短了育种时间，从而生产出不带转基因成分的抗病栽培品种，同时保留理想的食味和产量特性。
随着基因组编辑技术的发展，最新的Prime Editor工具能够针对感病基因实现精准的定向插入或替换序列编辑。利用Prime Editor技术，美国密苏里大学植物科学与技术部的华裔科学家杨兵团队成功在xa23的启动子中插入了监测病原菌的效应子结合元件（EBE），使白叶枯病菌能够激活执行R基因Xa23的表达，增强水稻对白叶枯病的抗性，同时不影响产量。该研究提出了一种可行的策略，即将病原菌结合和激活表达的顺式元件引入执行R基因的启动子中，以培育新的抗病品种。此外，该技术还被用于在易感品种中引入Xa5的V39E等位基因，使感病水稻品种具备抗白叶枯病的稀有基因xa5的抗性。
基因组编辑技术的出现和发展为获得抗病作物带来了革命性的变革。展望未来，我们可以利用基因组编辑技术在已知的抗病基因中引入饱和突变，鉴定和筛选出具有抗性优良且保持产量的新等位基因。此外，对抗病基因的分子机制和信号通路进行深入研究至关重要，将有助于获得病原体和宿主调控元件或信号元件，揭示作物产量和抗病性之间的平衡机制，并通过利用高效的Prime Editor技术，精确地靶向和设计这些调控元件或信号组分，最终获得同时具备高产量和抗病性的种质。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国农业科学院农业科学技术创新计划的资助。在该论文中，我所水稻生物育种全国重点实验室王春研究员为第一作者，寇艳君研究员为通讯作者。王克剑研究员承担了论文整体框架的构建，并对论文的写作和修改进行了指导。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.tplants.2023.10.004