新技術縮短玉米穗腐病抗性育種時間

◎本報記者 馬愛平

近年來，玉米穗腐病已成為威脅我國玉米生產的主要病害之一，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價值。

近日，中國農業科學院作物科學研究所玉米基因編輯育種研究團隊，通過基因編輯靶向編輯玉米內源基因創制的突變體在多種環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材料與育種技術。日前，相關論文在線發表於《植物生物技術》。

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，玉米收穫後存儲不當也會引發籽粒腐爛。在我國，玉米穗腐病廣泛發生於各個玉米種植區，一般年份發病率為5%—10%，重發年份可達30%—40%，局部地區甚至可達100%。”論文通訊作者、中國農業科學院作物科學研究所研究員謝傳曉在接受科技日報記者採訪時表示。

目前，國內外已報道70餘種病原菌可引起玉米穗腐病，這些病原菌可單獨或複合侵染，其中，擬輪枝鐮孢菌和禾穀鐮孢菌是在全球範圍內危害最大的兩個優勢病原菌，也是我國玉米穗腐病的優勢病原菌。近年來，玉米穗腐病在我國的發生頻率和危害程度逐年增加，玉米一旦染病，發病率可高達50%。

“目前在生產中還沒有防治玉米穗腐病的有效方法，主要採用合理的栽培措施、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濟有效的方法。”謝傳曉説。

傳統抗玉米穗腐病育種技術主要包括抗性種質資源篩選、抗性遺傳規律解析、抗性位點（基因）回交轉育或聚合等。國內外大量種質資源篩選鑑定表明高抗玉米穗腐病的資源相對匱乏，絕大部分種質特別是玉米骨幹自交系高感玉米穗腐病。

“受環境、病原菌、抗性鑑定方法等因素影響，較難找到一致的高抗、多抗的抗性基因。因此，目前國內外育成的高抗品種較少。”謝傳曉説。

改良後玉米抗性得到提高

“該研究採用CRISPR/Cas9基因編輯技術，創制了系列目標基因突變體，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）。科研人員分別在2020年北京、2021年海南、2021年北京，採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，開展單株基因型鑑定與表型鑑定，進行了抗性分析。”論文第一作者、中國農業科學院作物科學研究所副研究員劉昌林告訴記者。

結果表明，與野生型相比，突變體均一致表現為中等抗性水平。對發病籽粒進行驗證鑑定發現，與未發病籽粒相比，感病野生型發病籽粒的伏馬毒素高達數千倍，符合擬輪枝鐮孢菌致病特徵，且病原鑑定表明，病害表型來源於接種的擬輪枝鐮孢菌。調查沒有發現突變對其他農藝性狀有顯著的負面影響。

“本方法同傳統育種方法相比，可以快速改良玉米骨幹種質資源的抗性，降低玉米穗腐病的危害，靶標比較清楚，能顯著縮短改良所需的時間。與傳統回交轉育相比，利用基因編輯技術改良受體玉米種質的抗病性還可以克服連鎖累贅的問題。”劉昌林指出。