2022年1月28日，中国农业科学院作物科学研究所杨平课题组在国际期刊New Phytologist上在线发表了题为“Simultaneous editing of host factor gene TaPDIL5-1 homoeoalleles confers wheat yellow mosaic virus resistance in hexaploid wheat”的研究论文，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术同时编辑六倍体小麦A、B、D亚基因组上TaPDIL5-1基因的3个拷贝，赋予了小麦对黄花叶病的抗病性（图1），证实了首个抗小麦病毒病基因。
普通小麦是当今世界三大粮食作物之一，是经两次天然杂交、染色体加倍形成的异源六倍体植物，基因组上超过95%的编码基因具有2-3个同源拷贝，彼此序列高度相似且功能冗余，赋予了小麦更好的环境适应性和更为广泛的用途。植物病毒是三大病原微生物之一，绝大多数的RNA病毒仅能编码4-10个功能蛋白，必须依赖植物蛋白（被称为宿主因子）辅助完成病毒自身的增殖和传播。编码宿主因子的基因突变或者缺失，使得病毒不能感染宿主植物，这种遗传抗病性机制被称为隐性抗病性。
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，小麦黄花叶病由小麦黄花叶病毒（WYMV）引起，大麦黄花叶病由大麦黄花叶病毒（BaYMV）和大麦温和花叶病毒（BaMMV）单一或复合感染引起，这三种病毒均属于马铃薯Y病毒科的大麦黄花叶病毒属。在小麦中，目前报道了数十个抗病基因，但是由于病毒病表型鉴定准确性低且小麦基因组高度复杂，极大增加了基因克隆的难度，目前尚无抗病毒基因被克隆。中国农科院作科所杨平课题组前期发现，大麦（二倍体）中BaYMV/BaMMV抗病基因绝大多数为隐性遗传，小麦（六倍体）中WYMV抗病基因均为显性遗传，因此假设小麦基因同源拷贝的功能冗余，掩盖了单个或部分基因拷贝变异引起的隐性抗病遗传效应，导致多倍体物种中报道的隐性抗病基因远少于二倍体物种。为了验证该假设，研究团队鉴定了小麦TaPDIL5-1基因在A、B、D亚基因组上的同源拷贝。该基因在大麦中的同源基因HvPDIL5-1编码一个蛋白二硫键异构酶，其功能丢失对BaYMV和BaMMV具有广谱抗病性。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，我们获得了TaPDIL5-1在A、B、D亚基因组上基因编辑的小麦材料，通过人工杂交和分子标记辅助选择，构建了TaPDIL5-1三个拷贝均被编辑的4个纯合株系，以及分别敲除单个或者两个拷贝的纯合株系。接种WYMV病毒发现，TaPDIL5-1三个拷贝同时编辑的材料对WYMV抗病，单突变体或双突变体仍为感病（图1）。由此证实，TaPDIL5-1编码感病宿主因子参与WYMV感染，编辑该基因可以创制小麦黄花叶病的隐性抗病性材料。图1 编辑小麦基因TaPDIL5-1的三个同源拷贝赋予对小麦黄花叶病的遗传抗病性在正常种植条件下，TaPDIL5-1三个拷贝同时编辑的材料与未编辑的野生型比较，株高、抽穗期、穗长、穗数、穗粒数、穗密度、粒长、粒宽、千粒重等九个农艺性状均没有显著差异（图2）。小麦黄花叶病是黄淮、长江中下游等冬小麦种植区的重要病害之一，通过基因编辑主栽小麦品种中的TaPDIL5-1基因，可以改良品种对小麦黄花叶病的抗病性。与转基因过表达病毒反向序列沉默病毒的策略不同，编辑小麦内源基因不用会引入外源序列。
图2 小麦基因TaPDIL5-1编辑植株的农艺性状统计研究结果表明，现代育种改良通过G蛋白路径和生长素路径等多通路协调互作的模式对赤霉素路径进行选择修饰与精细调控，可实现后绿色革命时代新的高产目标。中国农业科学院作物科学研究所阚金红博士和已毕业硕士生蔡羽为论文共同第一作者，杨平研究员为通讯作者，在读硕士生程春园、博士生金彦龙、副研究员蒋枞璁博士参与了本研究工作。特别感谢中国农业科学院作物科学研究所转基因中心叶兴国研究员、王轲副研究员在小麦转化工作上给予的帮助，江苏省里下河地区农业科学研究所何震天研究员、陈士强副研究员在田间试验上给予的帮助和支持，沙特阿卜杜拉国王大学Simon G. Krattinger助理教授对文章写作提出的修改建议。此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国农业科学院农业科技创新工程和基本科研业务费等项目的资助。
