近日，中科院遗传发育所高彩霞团队、肖军团队和中科院微生物所邱金龙团队合作发现感病基因MLO突变的Tamlo-R32突变体不仅被赋予强大的白粉病抗性，同时也保留了小麦的生长与产量的优势，成果在Nature（IF=49.962）上发表。作者通过cut&tag、ATAC-seq、RNA-seq与基因组编辑等多组学技术手段，成功对小麦白粉病抗性和产量兼得的遗传改良途径进行剖析。
安诺优达为本研究提供了ATAC-seq、4C测序和转录组建库测序服务，为挖掘新型突变体抗病高产的分子机制提供助力！带着满满的好奇心，下面就和小编一起来学习如何利用高通量测序技术探索作物遗传改良的奥秘~
研究背景
小麦白粉病是威胁小麦产量的主要病害之一，而分子育种被认为是提高植物抗病性的有效且可持续的重要策略。然而利用感病基因进行抗病育种常年面临着抗病株的生长发育和产量均出现严重缺陷的难题。破坏作物的感病（S）基因是赋予作物抗病能力的一种具有前景的育种策略。但破坏S基因的行为是一把双刃剑，在作物抗病性提升的同时，往往会牺牲产量，限制了其在植物抗病育种中的应用。本篇研究历经8年，不仅成功剖析小麦新型mlo突变体既抗白粉病又高产的调控机制，又证明基因组编辑技术的应用有望支持和满足未来可持续性抗病作物的发展需求，这对于开发具有强大和持久抗病性的高产作物品种至关重要。
材料选择
野生型和Tamlo-R32突变体小麦
测序策略
全基因组重测序：NovaSeq PE150测序深度50X
RNA-seq、4C-seq、ATAC-seq、CUT &Tag：NovaSeq PE150
研究结果
1.Tamlo-R32抗白粉病，且无生长缺陷
作者在使用TALEN载体产生的小麦mlo突变体中，成功鉴定了Tamlo-R32突变体。该突变体表现出对白粉病强大的抗性，且株高和谷物产量方面没有表现出生长缺陷。
图1 Tamlo-R32抗白粉病且无生长缺陷
2. Tamlo-R32在TaMLO-B1附近产生304 Kb大片段缺失
作者接下来对Tamlo-R32抗性相关的突变进行探究。Tamlo-R32 突变体中共有3个小麦MLO1基因，作者通过基因特异性引物扩增和基因杂交发现Tamlo-R32中的抗性等位基因与TaMLO-B1 基因座紧密相关。全基因组测序表明其染色体4B上发现了一个304 Kb大片段缺失。缺失的右边界位于TaMLO-B1的第二个外显子，左边界终止于MLO 基因（以下称为TaMLOX）。
图2 Tamlo-R32在TaMLO-B1附近产生304 Kb大片段缺失
3. 挽救Tamlo-R32生长缺陷的TaTMT3B表达调控机制
为了研究Tamlo-R32中大片段缺失的影响，作者通过RNA-seq测序发现缺失上游的TaTMT3B基因相对于野生型Bobwhite在Tamlo-R32中显著上调，进而导致TaTMT3的总水平增加。通过cut&tag和ATAC-seq检查TaTMT3B-MLO-B1区域中的组蛋白修饰和染色质可及性，并辅以染色体构象捕获测序（3C-seq）和环状 3C-seq（4C-seq）技术，发现野生型中TaTMT3B 被H3K27me3（参与形成导致基因沉默的长程染色质环）标记的启动子与远端基因座成环，而Tamlo-R32中大片段的缺失消除了TaTMT3B 启动子和缺失区域（a-c 环）之间的染色质环，表明TaTMT3B的转录受到抑制性组蛋白标记H3K27me3和野生型Bobwhite中抑制性染色质环的影响，而Tamlo-R32中的片段缺失消除了表观遗传抑制，并在TaTMT3B周围创造了一个致其上调的染色质环境。
图3 TaTMT3B表达调控示意图
4. 利用多重基因组编辑快速获得抗白粉病小麦新种质
基于以上研究结果，作者利用CRISPR-Cas9技术来开发含有Tamlo-R32 等位基因的新小麦种质。使用仅具有两个sgRNA 的CRISPR–Cas9 DNA或RNP将Tamlo-R32 等位基因快速引入优质小麦品种，最终精确编辑四个优良冬小麦品种中的MLO基因座。这些结果证明了相比于基因渗入，基因组编辑是将Tamlo-R32等位基因快速引入优质小麦品种的有力策略。
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示意图
研究结论
感病基因MLO的突变使病原微生物侵染能力下降，植株表现出抗病表型，但往往其生长和产量均受到负面影响。与其他突变体不同的是，Tamlo-R32突变体内发现一个304 Kb染色体片段的缺失。作者通过染色体三维空间图的绘制与转录组分析，发现其染色质三维空间结构发生重排，表观的遗传变化导致上游编码液泡膜单糖转运基因TaTMT3显著上调，这恰好恢复了Tamlo-R32材料的生长和产量。该团队通过杂交和多代回交，将MLO突变和染色体缺失片段一起导入优良小麦品种中，获得了抗白粉病且高产品系的快速创新。
参考文献
[1] Li S, Lin D, Zhang Y, Deng M, Chen Y, Lv B, Li B, Lei Y, Wang Y, Zhao L, Liang Y, Liu J, Chen K, Liu Z, Xiao J, Qiu JL, Gao C. Genome-edited powdery mildew resistance in wheat without growth penalties[J]. Nature. 2022 Feb 9.