普通小麦是异源六倍体，经历了两次多倍化和驯化后其遗传多样性与野生种相比大幅降低，优异基因及其等位基因遗传基础极其狭窄，极大限制了现代小麦育种中诸多性状的遗传改良。寻找小麦基因发掘新方法和提高遗传多样性的新途径，对于小麦遗传改良具有重要意义。普通小麦基因组含有A、B和D三个亚基因组，含有大量的转座子序列，基因组中存在大量由于转座子插入、表观修饰等原因所导致的功能基因失活丧失功能，成为隐匿或沉默的基因，通过现代基因工程手段人工重新激活这类隐匿的基因，使其发挥功能，将会极大丰富小麦基因资源库，对于培育高产多抗优质广适新品种具有重要意义。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所植物细胞与染色体工程国家重点实验室刘志勇和赵玉胜团队合作发表了一篇题为“Provoking a silent R gene in wheat genome confers resistance to powdery mildew”的研究论文，报道了利用基因工程手段对小麦基因组中一个被转座子插入而沉默的抗病基因序列进行遗传操作，激活其在感病小麦品种中的表达，重新赋予其抗白粉病功能，为发掘利用小麦基因组中大量被沉默和从未被育种利用的优异基因，增加小麦遗传多样性提出了全新的思路。
研究团队前期首次从四倍体野生二粒小麦中克隆到小麦抗白粉病基因Pm41，该基因对我国不同自然生态区超过80%的白粉菌生理小种表现免疫或高抗，是一个具有育种应用价值的优异抗病基因资源。单倍型分析显示，Pm41在野生二粒小麦群体中包含至少7种不同单倍型（Hap1-7），而在硬粒小麦和普通小麦仅存在3种单倍型（Hap2、3和7），显示该位点存在非常明显的遗传瓶颈。基因序列和表达分析发现，其中Hap2（Pm41b）和Hap4-7单倍型在基因启动子和UTR区存在转座子插入导致基因失活不表达。其中Pm41b具有完整的潜在编码框，并且在硬粒小麦和普通小麦中基因分布频率高达90%。那么，沉默的Pm41b是否具有抗白粉病功能呢？采用转基因技术在小麦中互补和过表达Pm41b基因发现其对小麦白粉病表现出免疫或高抗，说明重新激活沉默的Pm41b基因赋予其抗白粉病功能。此外，未发现激活这类沉默的基因对高产品种主要农艺性状和产量有不良影响，表明其可以应用于小麦新品种的分子设计。
该研究不仅为抵抗小麦白粉病提供了新的可应用基因资源，而且展示了发掘作物基因组中隐匿的优异功能基因进行高产抗病设计育种的全新策略和潜力。该论文于2022年7月29日发表在Plant Biotechnology Journal杂志（DOI:10.1111/pbi.13903）。中科院遗传发育所李淼淼副研究员，刘志勇研究组博士生董磊、朱科宇为该论文的共同第一作者，刘志勇研究员、赵玉胜研究员和董玲丽副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、海南崖州种子实验室、中国科学院以及植物细胞与染色体工程国家重点实验室的资助。
图：重新激活小麦基因组中沉默的Pm41b抗白粉病基因
基因组编辑技术在植物中的应用往往受到植物遗传转化中对基因型的依赖和再生效率低下的制约。在小麦中过表达GRF4-GIF1蛋白复合体可提高转基因植物再生效率和再生速度。但是通过稳定遗传转化方法，再生出来的植株都是整合了外源基因，需要多代才能把外源基因分离出去，费时费力而且可能带来转基因的潜在风险。
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组建立了基因枪介导的GRF-GIF1复合体瞬时表达系统，提高小麦再生能力的同时打破了遗传转化的基因型限制，实现了高效的基因组编辑。研究首先选取小麦GRF4-GIF1融合蛋白利用基因枪法进行测试，在科农199和Bobwhite中的检测结果表明，GRF4-GIF1可显著提高小麦的再生及基因组编辑效率（图1）。进而对TaGRF4进行改造，在其miR396识别位点引入5个同义点突变，破坏miR396的结合。结果表明突变了的mTaGRF4-TaGIF1效果优于TaGRF4-TaGIF1（图1）。转化mTaGRF4-TaGIF1的处理组获得的transgress-free的突变体数目要远多于对照组。研究还利用mTaGRF4-TaGIF1对9个中国栽培小麦品种进行测试（图2）（济麦20，济麦22，京411，山农20，山农116，小偃54，周麦27，周麦28和中麦175），结果发现mTaGRF4-TaGIF1可以将这些栽培小麦品种的再生效率提高2-11倍，基因组编辑效率提高2-10倍，而且使用mTaGRF4-TaGIF1进行转化获得的突变体中有22.2-66.7%无外源质粒整合。研究说明利用mTaGRF4-TaGIF1可以促进小麦的再生和提高基因组编辑效率，该方法打破了基因型限制，可以应用于多个小麦品种。而且利用瞬时表达的方法，获得的大部分突变体为transgress-free突变体，其生长发育与野生型无异。
瞬时表达mTaGRF4-TaGIF1实现了小麦高效且不依赖植物基因型限制的基因组编辑系统，为小麦基因组编辑介导遗传改良提供了重要的技术支撑。该研究成果于2021年8月16日在线发表于Science China Life Sciences杂志上（DOI:10.1007/s11427-021-1949-9）。高彩霞研究组博士生邱枫倜和博士后邢思年为该论文的第一作者，高彩霞研究员和国科大生科院柴团耀教授为该论文通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导专项、国家自然基金，国家重大科技专项项目的资助。
图1：利用基因枪法瞬时表达mGRF4-GIF1可以促进小麦的再生及基因组编辑效率
图2：利用mGRF4-GIF1对9个中国地方栽培小麦品种进行基因组编辑
基因组编辑技术在植物中的应用往往受到植物遗传转化中对基因型的依赖和再生效率低下的制约。在小麦中过表达GRF4-GIF1蛋白复合体可提高转基因植物再生效率和再生速度。但是通过稳定遗传转化方法，再生出来的植株都是整合了外源基因，需要多代才能把外源基因分离出去，费时费力而且可能带来转基因的潜在风险。
中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组建立了基因枪介导的GRF-GIF1复合体瞬时表达系统，提高小麦再生能力的同时打破了遗传转化的基因型限制，实现了高效的基因组编辑。研究首先选取小麦GRF4-GIF1融合蛋白利用基因枪法进行测试，在科农199和Bobwhite中的检测结果表明，GRF4-GIF1可显著提高小麦的再生及基因组编辑效率（图1）。进而对TaGRF4进行改造，在其miR396识别位点引入5个同义点突变，破坏miR396的结合。结果表明突变了的mTaGRF4-TaGIF1效果优于TaGRF4-TaGIF1（图1）。转化mTaGRF4-TaGIF1的处理组获得的transgress-free的突变体数目要远多于对照组。研究还利用mTaGRF4-TaGIF1对9个中国栽培小麦品种进行测试（图2）（济麦20，济麦22，京411，山农20，山农116，小偃54，周麦27，周麦28和中麦175），结果发现mTaGRF4-TaGIF1可以将这些栽培小麦品种的再生效率提高2-11倍，基因组编辑效率提高2-10倍，而且使用mTaGRF4-TaGIF1进行转化获得的突变体中有22.2-66.7%无外源质粒整合。研究说明利用mTaGRF4-TaGIF1可以促进小麦的再生和提高基因组编辑效率，该方法打破了基因型限制，可以应用于多个小麦品种。而且利用瞬时表达的方法，获得的大部分突变体为transgress-free突变体，其生长发育与野生型无异。
瞬时表达mTaGRF4-TaGIF1实现了小麦高效且不依赖植物基因型限制的基因组编辑系统，为小麦基因组编辑介导遗传改良提供了重要的技术支撑。该研究成果于2021年8月16日在线发表于Science China Life Sciences杂志上（DOI:10.1007/s11427-021-1949-9）。高彩霞研究组博士生邱枫倜和博士后邢思年为该论文的第一作者，高彩霞研究员和国科大生科院柴团耀教授为该论文通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导专项、国家自然基金，国家重大科技专项项目的资助。
图1：利用基因枪法瞬时表达mGRF4-GIF1可以促进小麦的再生及基因组编辑效率
图2：利用mGRF4-GIF1对9个中国地方栽培小麦品种进行基因组编辑
