普通小麦（Triticum aestivum L., 2n = 42, AABBDD）是世界上重要的粮食作物，为人类提供约20%的能量。白粉病是小麦的重要病害之一，严重影响到小麦的产量和品质。在与小麦亲缘关系较近的大麦中，MLO基因的功能缺失突变使其对白粉病产生广谱和持久的抗性。这种抗性在生产上已应用了三十多年还没有被打破，但由于生殖隔离，大麦的这种优良性状不能直接为小麦所用。在普通小麦A、B、D基因组上MLO基因各有一个拷贝（TaMLO-A1, TaMLO-B1, TaMLO-D1），对小麦MLO基因的缺失突变有望获得具有广谱抗白粉病的品种。

 

        中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组和微生物研究所邱金龙课题组合作，利用基因组编辑技术首次在六倍体小麦中对MLO基因的三个拷贝同时进行了突变，获得了对白粉病具有广谱抗性的小麦材料。该研究利用TALEN技术在小麦MLO基因第二个外显子的一个保守区设计了一对TALENs。在T0代转基因植株中检测到35个MLO基因突变体，这些突变体包含单拷贝，双拷贝以及三拷贝的突变。经过对获得的突变体的后代分析表明，TALEN诱导的突变在小麦里可以稳定遗传到后代，并符合孟德尔遗传规律。突变体材料经过一代或两代自交，获得了MLO基因不同组合的纯合突变体（tamlo-aa, tamlo-bb, tamlo-dd, tamlo-aabb, tamlo-aadd, tamlo-bbdd, tamlo-aabbdd）。 经过对这些纯合突变体接种小麦白粉菌，发现只有MLO基因在小麦A、B和D基因组上的三个拷贝同时突变的小麦纯合突变体tamlo-aabbdd表现出对白粉菌极为显著的广谱抗性，而其他组合的突变体则和野生型一样没有表现出抗病性。该研究结果表明小麦MLO基因的三个拷贝在功能上存在冗余，只有同时突变三个拷贝才表现出抗病性，这也可能是到目前为止在自然条件下或利用传统育种手段而没有获得小麦mlo抗病材料的主要原因。

 

        该研究还利用CRISPR/Cas9系统实现了对小麦MLO基因的定向突变，原生质体和转基因植物中的结果表明突变只发生在A基因组上。这个结果表明，在多倍体的小麦中，利用基因编辑技术既可以同时突变多个拷贝，也可以特异地突变单个基因拷贝。此外，该研究还利用基因组编辑系统引发的DNA自身修复途径非同源末端连接，在小麦里实现了基因的定点插入，插入的片段可以稳定遗传，这可用于创制不能由简单基因敲除而产生的有价值遗传特性。

 

        该研究为小麦基因功能的研究以及培育小麦新材料或品种的创制提供了一个全新的思路和技术路线。研究结果于2014年7月20日在线发表在英国《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上（http://dx.doi.org/10.1038/nbt.2969）。高彩霞组博士生王延鹏和微生物所邱金龙组博士生程曦为该文章的共同第一作者。该研究得到了中国科学院重点部署项目、科技部以及国家自然科学基金的资助。