PBJ | 中国农业科学院研发玉米穗腐病抗性育种技术

玉米穗腐病 (Ear rot) 是全球农业生产上普遍发生的一种真菌性病害。近年来，随着秸秆还田和少耕免耕等栽培方式转变，玉米穗腐病在我国的发生频率和危害程度逐年加剧，感病品种的发病率可高达50%，严重区域甚至100%，已成为威胁我国玉米生产的主要病害。穗腐病不仅造成玉米大幅减产，还因产生的真菌毒素具有很强的毒副作用，严重影响农产品质量安全，为此也成为现代农业机械化收获籽粒应用的重要制约因素之一。此外，该病害还与小麦赤霉病、玉米茎腐病等主要农业病害的主要病原体相同，进一步凸显了其研究意义与价值。近日，中国农业科学院作物科学研究所玉米基因编辑育种研究团队通过基因编辑靶向编辑玉米内源基因，创制的突变体在多环境下对玉米拟轮枝镰孢穗腐病具有明显抗性，为抗病育种提供了重要的种质与育种技术基础，相关研究结果以“Engineering null mutants in ZmFER1 confers resistance to ear rot caused by Fusarium verticillioides in maize”为题在国际植物生物技术主流期刊《Plant Biotechnology Journal》上在线发表。

镰孢菌是许多农作物重大病害的病原真菌。目前，国内外已鉴定出玉米穗腐病的病原真菌多达17属70余种。其中，拟轮枝镰孢（Fusarium verticillioides）（以下简称FV）和禾谷镰孢（Fusarium graminearum）（简称FG）是世界范围内危害最大的两种优势致病菌，还是引起玉米茎腐病与小麦“癌症”之称的赤霉病的罪魁祸首。已有的玉米镰孢菌病害抗性遗传解析结果表明抗性QTL多是微效基因，机制极其复杂(Mesterházy et al., 2012)，成为农业科学里公认的难题。2019年，小麦上的两个独立的工作同时报道克隆了抗镰孢菌主效QTL-- Fhb1，表明该位点的TaHRC基因与抗性相关，但其抗性机制存在争议 (Li et al., 2019; Su et al., 2019)。Fhb1对小麦主要镰孢菌病害具有广谱抗性(Rawat et al., 2016)。3个玉米研究团队(Ding et al., 2008; Kebede et al., 2016; Yao et al., 2020) 均在第3染色体短臂Bin3.04鉴定到抗镰孢穗腐病主效QTL，该QTL区域Zm00001d040118（本研究命名为ZmFER1）与TaHRC高度同源。玉米基因组内有两个TaHRC同源基因，仅有ZmFER1在齐319、沈137等源于78599选系的镰孢菌病害抗性自交系中表现出多态性，且该多态性与小麦中鉴定的抗性等位变异具有类似特征，表明该基因可能具有镰孢菌病害抗性育种开发价值。该研究采用CRISPR/Cas9基因编辑技术，创制了系列目标基因突变体。其中，获得了3个Zmfer1基因隐性纯合突变体，包括E1（1 bp插入）、E2（1 bp插入）和E3（5 bp缺失），且CRISPR/Cas转基因元件已删除。分别于2020年北京、2021海南、2021北京三地，采用突变体与野生型种子1:1混合盲样人工接种FV，单株基因型鉴定与表型鉴定，进行了抗性分析（图1 A），结果表明与野生型相比，突变体均一致表现为中等抗性水平（图1 B）；对发病籽粒伏马毒素与病原体进行了验证鉴定，与接种抗性材料相比，感病野生型发病籽粒主要伏马毒素高达数千倍，符合FV致病特征（图1 C），病原鉴定表明病害表型来源于接种FV（图1 D）；同时，还调查了其它农艺性状，没有发现突变对农艺性状有显著的负面影响。

该研究为继续深入深化镰孢菌抗性机制及其育种应用研究奠定了重要基础。中国农业科学院作物科学研究所刘昌林副研究员和硕士生孔铭为该文共同第一作者，谢传晓研究员和刘昌林副研究员为论文通讯作者。作物科学研究所段灿星副研究员、朱金洁助理研究员、祁显涛助理研究员参与了该项工作。该研究得到了海南省崖州湾种子实验室（B21HJ0215）、中国农业科学院创新工程（S2021ZD03）项目与国家玉米现代产业技术体系 (CARS-02-06) 等资助。

原文链接：

 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13914

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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