近年來，玉米穗腐病已成為威脅我國玉米生產(chǎn)的主要病害之一，其病原真菌主要是鐮孢菌。已有研究表明，小麥、玉米中存在鐮孢菌的抗性基因。其中，玉米中的ZmFER1基因可能具有鐮孢菌病害抗性育種開發(fā)價值。
近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所玉米基因編輯育種研究團(tuán)隊，通過基因編輯靶向編輯玉米內(nèi)源基因創(chuàng)制的突變體在多種環(huán)境下對玉米擬輪枝鐮孢穗腐病具有明顯抗性，為抗病育種提供了重要的種質(zhì)材料與育種技術(shù)。日前，相關(guān)論文在線發(fā)表于《植物生物技術(shù)》。
玉米穗腐病尚無有效防治方法
“玉米穗腐病主要造成玉米果穗和籽粒腐爛，玉米收獲后存儲不當(dāng)也會引發(fā)籽粒腐爛。在我國，玉米穗腐病廣泛發(fā)生于各個玉米種植區(qū)，一般年份發(fā)病率為5%—10%，重發(fā)年份可達(dá)30%—40%，局部地區(qū)甚至可達(dá)100%。”論文通訊作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員謝傳曉在接受科技日報記者采訪時表示。
目前，國內(nèi)外已報道70余種病原菌可引起玉米穗腐病，這些病原菌可單獨或復(fù)合侵染，其中，擬輪枝鐮孢菌和禾谷鐮孢菌是在全球范圍內(nèi)危害最大的兩個優(yōu)勢病原菌，也是我國玉米穗腐病的優(yōu)勢病原菌。近年來，玉米穗腐病在我國的發(fā)生頻率和危害程度逐年增加，玉米一旦染病，發(fā)病率可高達(dá)50%。
“目前在生產(chǎn)中還沒有防治玉米穗腐病的有效方法，主要采用合理的栽培措施、適期播種、防治病蟲鳥害、種子包衣劑等方式降低玉米穗腐病的危害。然而，選育和推廣抗病品種是解決玉米穗腐病危害最經(jīng)濟(jì)有效的方法。”謝傳曉說。
傳統(tǒng)抗玉米穗腐病育種技術(shù)主要包括抗性種質(zhì)資源篩選、抗性遺傳規(guī)律解析、抗性位點(基因)回交轉(zhuǎn)育或聚合等。國內(nèi)外大量種質(zhì)資源篩選鑒定表明高抗玉米穗腐病的資源相對匱乏，絕大部分種質(zhì)特別是玉米骨干自交系高感玉米穗腐病。
“受環(huán)境、病原菌、抗性鑒定方法等因素影響，較難找到一致的高抗、多抗的抗性基因。因此，目前國內(nèi)外育成的高抗品種較少。”謝傳曉說。
改良后玉米抗性得到提高
“該研究采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，創(chuàng)制了系列目標(biāo)基因突變體，其中獲得了3個ZmFER1基因隱性純合突變體，包括已刪除CRISPR/Cas基因編輯元件的E1(1bp插入)、E2(1bp插入)和E3(5bp缺失)?？蒲腥藛T分別在2020年北京、2021年海南、2021年北京，采用突變體與野生型種子1∶1混合盲樣人工接種擬輪枝鐮孢菌，開展單株基因型鑒定與表型鑒定，進(jìn)行了抗性分析。”論文第一作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所副研究員劉昌林告訴記者。
結(jié)果表明，與野生型相比，突變體均一致表現(xiàn)為中等抗性水平。對發(fā)病籽粒進(jìn)行驗證鑒定發(fā)現(xiàn)，與未發(fā)病籽粒相比，感病野生型發(fā)病籽粒的伏馬毒素高達(dá)數(shù)千倍，符合擬輪枝鐮孢菌致病特征，且病原鑒定表明，病害表型來源于接種的擬輪枝鐮孢菌。調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)突變對其他農(nóng)藝性狀有顯著的負(fù)面影響。
“本方法同傳統(tǒng)育種方法相比，可以快速改良玉米骨干種質(zhì)資源的抗性，降低玉米穗腐病的危害，靶標(biāo)比較清楚，能顯著縮短改良所需的時間。與傳統(tǒng)回交轉(zhuǎn)育相比，利用基因編輯技術(shù)改良受體玉米種質(zhì)的抗病性還可以克服連鎖累贅的問題。”劉昌林指出。(科技日報 本報記者 馬愛平)
