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中国农科院作科所杨平课题组发现小麦抗病毒新基因

花匠小妙招
2025-10-31 01:30

2023年1月10日，中国农业科学院作物科学研究所杨平课题组在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“CRISPR/Cas9-guided knockout of eIF4EimprovesWheat yellow mosaic virusresistance without yield penalty”的研究论文，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术同时敲除六倍体小麦A、B、D亚基因组上eIF4E基因的3个拷贝，赋予了小麦对黄花叶病的完全抗病性（图1），证实了大麦、小麦具有相同的隐性抗病毒机制，为小麦黄花叶病生物育种提供了新的靶标基因。

小麦是全球最重要的粮食作物之一，为大约40%的人口提供能量来源。以土壤禾谷多黏菌为中间载体传播的病毒病害，是小麦、大麦等麦类作物的主要病毒病害，其中小麦黄花叶病是我国小麦年均发病面积最大的病毒病害，由小麦黄花叶病毒（WYMV）感染引起，该病毒与大麦黄花叶病致病病毒（BaYMV和BaMMV）均属于马铃薯Y病毒科大麦黄花叶病毒属（Bymovirus）（Chen, 2005; Jiang et al., 2020）。土传病毒病经根系感染传播的特性，使得培育抗病品种成为该类病害防控切实可行的唯一手段。

专性寄生的植物病毒通常仅编码少数几个功能蛋白，必须依赖宿主感病因子完成病毒自身的生命过程，编码感病因子的基因突变或者缺失，使得病毒不能感染宿主植物，从而产生隐性抗病性。在小麦中，目前定位了十余个抗病基因（部分为等位关系），均为显性抗性；近期宁波大学和河南农大合作解析了感病因子甲基转移酶基因TaMTB参与WYMV感染的作用机制，该基因与抗黄花叶病微效QTL遗传位点qWYM.hau-4B共分离，病毒诱导TaMTB基因沉默（VIGS）可以显著降低宿主植物中的WYMV积累（Zhang et al., 2022）。

真核翻译起始因子eIF4E（Eukaryotic translation initiation factor 4E）是BaYMV、BaMMV感染大麦的关键感病因子（Stein et al., 2005），该基因的抗病等位变异在大麦育种中得以广泛应用。本研究鉴定了大麦基因HveIF4E在小麦A、B、D亚基因组上的同源拷贝，利用基因编辑技术创制了TaeIF4E在小麦三个亚基因组上分别携带敲除突变的编辑材料。通过人工杂交和分子标记辅助选择，构建了TaeIF4E单、双、三拷贝敲除的系列突变体。接种小麦黄花叶病毒（WYMV）后发现，只有TaeIF4E三突变体对WYMV完全抗病，且能正常结实；单或双突变体仍感病，感病后表现为植株矮小、结实率严重降低。在正常栽培条件下，通过农艺性状调查发现TaeIF4E三突变体与其他基因型比较，表现出株高增加5-10cm、抽穗期和成熟期推迟3-5天，而产量性状和其他农艺性状均没有显著差异。由此证实，TaeIF4E作为感病因子基因参与小麦黄花叶病毒感染，在主栽小麦品种中编辑该基因可以改良小麦对黄花叶病的抗病性。

图1. 基因编辑敲除小麦TaeIF4E提高小麦黄花叶病抗性

本研究及前期的结果（Kan et al., 2022）证实，大麦、小麦对黄花叶病具有相同的隐性抗病毒机制，普通小麦多拷贝基因的功能冗余掩盖了该基因特定等位变异的遗传效应；这种现象在白粉病感病因子基因MLO的研究中也得以证实（Wang et al., 2014）。通过基因编辑技术同时敲除基因的多个拷贝，可成为多倍体物种感病因子发掘和隐性抗病种质创制的新思路。

中国农业科学院作物科学研究所阚金红助理研究员、硕士生蔡羽、程春园为共同第一作者，杨平研究员为通讯作者；蒋枞璁副研究员、江苏省里下河地区农业科学研究所何震天研究员、陈士强副研究员也参与了本研究工作。感谢中国农业科学院作物科学研究所叶兴国研究员、王轲副研究员在小麦转化工作上给予的协助。此项工作得到了国家自然科学基金、中国农科院基本科研业务费和江苏省自主创新等项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.14002

团队研究工作简介：

杨平博士主要从事作物种质资源创新利用研究工作，在黄花叶病的抗病基因发掘与种质创新研究方向积累了丰富的研究经验（Yang et al., 2013 Mol Breed; Yang et al., 2014 PNAS; Yang et al., 2014 TAG; Yang et al., 2017 TAG）。近年来，团队在黄花叶病研究方向取得多项进展，包括解析了大麦黄花叶病病原的基因组变异和致病性分化以及抗病基因在我国抗病育种中的利用价值（Jiang et al., 2022 Plant Dis），并揭示了小麦、大麦黄花叶病病原的宿主特异性和近缘野生资源的应用潜力（Jin et al., 2022 Plant Dis）；克隆了感病因子基因HveIF4E的广谱抗病稀有等位基因（Shi et al., 2019 TAG），创制了感病因子基因HvPDIL5-1的抗性新种质（Cheng et al., 2022 Front Plant Sci），拓宽了抗病育种可利用的基因资源；构建了黄花叶病感病品种“哈铁系”的诱变群体和突变体筛选技术平台（Jiang et al., 2022 Plant Commun），可用于感病因子基因的发掘和功能研究；通过基因编辑技术克隆了小麦黄花叶病感病因子基因TaPDIL5-1（Kan et al., 2022 New Phytol）和TaeIF4E（Kan et al., 2023 PBJ），提供了小麦抗黄花叶病生物育种的靶位点；应邀综述了大麦黄花叶病毒属病毒在小麦、大麦中的病毒分化、地理分布和宿主特异性，以及在抗病种质资源和抗病基因发掘、抗病基因与病毒互作机制等领域的研究进展（Jiang et al., 2020 TAG）。

参考文献：

(1) Chen, J. Progress and prospects of studies on Polymyxa graminisand its transmitted cereal viruses in China. Prog Nat Sci, 2005, 15(6): 481-490.

(2) Jiang, C., Kan, J., Ordon, F., Perovic, D., Yang, P. Bymovirus-induced yellow mosaic diseases in barley and wheat: viruses, genetic resistances and functional aspects. Theor Appl Genet, 2020, 133(5): 1623-1640.

(3) Kan, J., Cai, Y., Cheng, C., Jiang, C., Jin, Y., Yang, P. Simultaneous editing of host factor gene TaPDIL5-1homoeoalleles confers wheat yellow mosaic virus resistance in hexaploid wheat. New Phytol, 2022, 234(2): 340-344.

(4) Stein, N., Perovic, D., Kumlehn, J., Pellio, B., Stracke, S., Streng, S., Ordon, F., Graner, A. The eukaryotic translation initiation factor 4E confers multiallelic recessive Bymovirusresistance in Hordeum vulgare(L.). Plant J, 2005, 42(6): 912-922.

(5) Wang, Y., Cheng, X., Shan, Q., Zhang, Y., Liu, J., Gao, C., Qiu, J. Simultaneous editing of three homoeoalleles in hexaploid bread wheat confers heritable resistance to powdery mildew. Nat Biotechnol, 2014, 32(9): 947-951.

(6) Zhang, T., Shi, C., Hu, H., Zhang, Z., Wang, Z., Chen, Z., Feng, H., Liu, P., Guo, J., Lu, Q., Zhong, K., Chen, Z., Liu, J., Yu, J., Chen, J., Chen, F., Yang, J. N6-methyladenosine RNA modification promotes viral genomic RNA stability and infection. Nat Commun, 2022, 13(1): 6576.

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