白粉病

隔八年，曾广受关注的小麦白粉病“缉凶案”终于迎来了续篇。　　中科院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞团队和中科院微生物研究所研究员邱金龙团队用多重“基因剪刀”，实现了对小麦重要感病基因序列的精准操控，获得了既高抗白粉病又高产的新材料。相关研究2月10日发表于《自然》。这意味着，号称小麦三大病害之一的白粉病终于被我国科学家“拿下”。　　“这一具有重要理论与实际应用价值的研究工作，将成为作物育种领域标志性的成果。”中国工程院院士、西北农林科技大学康振生对此评论说，它展现了基因组编辑在作物分子设计育种中的巨大潜力，对保障粮食安全具有重大意义。　　“另一只靴子”落地　　据农业农村部统计，我国每年受白粉病影响的小麦面积达到1亿亩左右，重病田甚至会减产40%。将这一严重威胁粮食安全的真菌“缉拿归案”，是很多育种专家的梦想。　　目前，分子育种家都是通过抗性基因帮助作物抵抗白粉病。但就像病毒预防一样，这种途径不具有广谱性和持久性，很容易随着白粉病新小种的出现而失去效用。　　病原菌的成功侵染需要利用植物感病基因，能否通过阻断这个病害与植物连接的“桥梁”来获得广谱持久的抗性呢？　　这是科学家想做但又不敢去做的一件事，因为感病基因的敲除具有两面性：抗病的同时，也会影响植物生长。　　科学家很早就知道MLO是小麦的感病基因，但由于普通小麦是异源六倍体，MLO基因有3个拷贝，几乎不可能通过天然突变方式同时敲除这3个基因。2014年，合作团队利用“基因剪刀”定向敲除MLO的3个拷贝，不出所料地获得了对白粉病具有广谱持久抗性的小麦新材料。　　相关研究在《自然—生物技术》发表后引起了世界范围内的极大关注。该研究入选了该刊创刊20周年最具影响力的20篇文章，并入选《麻省理工科技评论》2016年“全球十大技术突破”。高彩霞也因引领了植物基因组编辑的浪潮，入选《自然》2016年度“十位中国科学之星”。　　不过，这个故事还有后续——正如在其他多种植物中观察到的一样，研究团队发现敲除感病基因MLO的小麦出现了一定程度的负面表型，如早衰、植株变矮、产量下降等，限制了其在生产上的广泛应用。　　对此，研究团队选择迎难而上。　　在当时敲除MLO后得到的100多个基因组编辑小麦突变体中，他们发现了一个“宝贝”材料——突变体Tamlo-R32。它在表现出对白粉菌的抗性的同时，生长发育和产量完全正常。　　这个与众不同的材料让高彩霞坚信，感病基因突变抗病并非“死胡同”，“沿着这条路走一定能够做成”。　　现在，经过八年协力攻关，“另一只靴子”终于落地。在发表于《自然》的新研究中，他们解开了Tamlo-R32突变背后的秘密，克服了感病基因MLO突变引起的负面表型，实现了抗病高产“鱼与熊掌”的兼得。　　层层推进破悬疑　　在敲除MLO得到的大量突变体中，Tamlo-R32为何一枝独秀？这个产量甚至超过普通野生型小麦的材料是怎么出现的？如何通过基因组编辑获得该突变体并将其导入小麦主栽品种中？　　2014年之后，围绕Tamlo-R32这个“主角”的系列悬疑，成为高彩霞和合作者要破解的谜题。　　但这做起来并不容易。　　普通小麦基因组十分庞大，是人类基因组的5倍、水稻基因组的40倍。其序列重复性相当高，基因组结构极为复杂。　　一开始，由于小麦基因组数据并不完善，研究团队只能通过一系列漫长的传统遗传学实验进行分析，最终确定在小麦3个染色体组A、B、D中，A和D基因组上都存在预期的突变。　　“只有这两个基因组发生改变，还不足以抵抗白粉病，所以B基因组上一定有问题。”高彩霞说，受限于当时的基因组数据，研究团队在这个问题上探索了4年始终未能解决。　　直到2018年，借助新完成的小麦基因组重测序数据和染色体精细图谱，这个“暗箱”终于被打开了。　　让研究团队吃惊的是，Tamlo-R32突变体的B基因组上竟然发生了高达304Kb（超过30万DNA字母）的大片段删除——这导致该突变体的染色体三维结构被改变，使上游基因TaTMT3（与糖转运蛋白相关）表达水平上升，进而克服了感病基因MLO突变引起的负面表型，最终实现了抗病和产量的“双赢”。　　悬疑破解了，但要精确实现304Kb这一大的基因组片段剪切，并非易事。“‘剪刀’的效率要特别高。”高彩霞对《中国科学报》说，抗白粉病基因编辑研究十年来，目前已拥有7项核心技术专利，研究团队还开创了一系列基因组编辑新技术。　　正是基于这些核心技术，研究组通过叠加使用“基因剪刀”，在敲除MLO感病基因的同时，删除了TaMLO-B附近的大片段DNA，从而成功将这一抗病高产优异性状引进到我国多个小麦主栽品种中。　　由于MLO的基因功能在不同植物中相对保守，研究者进一步发现，在模式植物拟南芥中过表达TMT3也能克服其感病基因突变产生的负面表型。“这证明了叠加的遗传改变可以克服感病基因突变带来的生长缺陷，为作物抗病育种研究提供了新的理论视角。”论文第一作者、邱金龙团队助理研究员李盛楠说。　　至此，研究团队终于讲完了利用感病基因进行小麦抗病育种的故事。回顾其中的挑战，高彩霞有些风轻云淡地说：“我们知道路就在那里，只要坚持不懈就一定能够到达。”　　这个历经“八年抗战”取得的研究成果获得了审稿人的一致好评。多位审稿人表示这项研究“具有很大应用潜力”。其中一位审稿人指出：“这项工作在探索没有负面效应的抗病小麦育种上迈出了重要一步。”　　基因编辑除了“剪刀”还是“橡皮”和“铅笔”　　“基因组编辑的一个优点是可以更方便、快捷、精准地进行作物育种和改良。”李盛楠说，研究团队用了数年时间了解Tamlo-R32的突变机制后，仅用了几个月就利用基因组编辑技术在多个小麦主栽品种中获得了抗病且高产的种质资源。而传统杂交育种则需要五六年的时间。　　在2019年和2020年于北京和河北赵县进行的大田试验中，联合团队进一步证明了新种质资源的可靠性：常规MLO突变体造成的株高矮化在10%左右，产量降低16%左右；而新突变体具有超出或至少保持与亲本一致的产量。　　“培育和推广抗病新品种是防治植物病害最经济、高效和环境友好的策略。”康振生评论说，“这项研究验证了基因组编辑技术的发展对作物性状改良具有重大推动作用，尤其对经典遗传改造难以实施的多倍体复杂基因组农作物的改良，对保障粮食安全具有重要意义。”　　“和传统育种技术相比，基因组编辑育种的优势非常明显。”高彩霞对比说，传统杂交育种要引入一个抗病基因，需要进行6~8代的回交，整个过程非常漫长，而且其前提是杂交的亲本种要有抗病基因。通过突变育种（辐射、化学诱变等方法）具有盲目性和随机性，找到理想的突变体无异于大海捞针。而基因组编辑为精准定向育种提供了可能。　　“通过基因组编辑可以不添加任何外源性的基因，只需要把靶向的序列修改好，大大节省了时间、减少了工作量。”她补充说。　　高彩霞指出，基因组编辑技术经过10年的发展已经不仅仅是“一把剪刀”的概念。进化至“2.0时代”的碱基编辑和引导编辑还可以是一块“橡皮”或一支“铅笔”。“如果一个序列有点多，你可以把它剪掉；如果组成DNA的四个字母ATCG有一个错了，你可以用‘橡皮擦’把它擦掉，然后用‘铅笔’写入正确的字母，而‘铅笔’‘橡皮擦’是不留在细胞里的。”　　好消息是，今年1月底农业农村部制定公布了《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》，进一步规范了农业基因编辑植物的安全评价管理，促进我国生物育种技术和产业发展。“在这个政策的鼓舞和鞭策下，相信我国很快会有更多的基因组编辑材料进入田间和市场。”高彩霞表示，下一步将深入开展小麦白粉病新种质资源的开发和推广应用。　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04395-9

p style=" text-indent: 2em " 近来，面对澳大利亚、加拿大和南非等主要生产商高品位金红石和钛渣的产量下降，欧洲颜料生产厂商面临着钛原料短缺的问题。 /p p style=" text-indent: 2em " 其中，ILUKA关闭Murray Basin已经导致今年市场减少20000吨金红石和白钛石的供给，而这也反映在了钛白粉生产商Tronox所公布的业绩之中。并且Sibelco的Stradbroke Island项目也即将关闭，由此，截至2020年市场上又将减少35000吨金红石的供应量。 /p p style=" text-indent: 2em " 供应紧张引发了今年第三季度金红石价格的上涨。据《工业矿物》（Industrial Minerals）公布数据，& nbsp 7月5日到7月中旬，来自中国出口最低含量95%的散装钛白粉CIF（到港）价已经从每吨850-950美元涨到了950-1100美元；而来自澳大利亚的FOB（到岸）价也从每吨800-900美元涨到了930-1020美元。 /p p style=" text-indent: 2em " 高端原材料如金红石的供应吃紧继而推高钛白粉溢价，毕竟只有少数企业有技术实力采用或是切换其他材料生产。比如，世界第二大钛白粉生产商康诺斯（Kronos），去年购买了全球38%的金红石，受目前原材料紧缺影响，其钛白粉交货期正在延后，甚至达到8周之久。 /p

导读 高光谱成像传感器是近几年研究用于监测不同环境中农作物和植被的有效工具。植物的生理学，形态学或生物化学信息可以通过非接触的方式以及不同尺度下评估。例如，利用高光谱传感器用于植物表型分析或农业中的生理胁迫研究。截至目前，市面上有各种非成像和成像高光谱传感器可供选择，这些仪器进行测量的过程相当复杂。因此，现代化检测及研究中对易于用户操作的高光谱传感器的需求日益增加。芬兰新发布的一款新型小型手持式智能型高光谱相机——SPECIM IQ，就是基于用户的现代化便携操作而设计的。SPECIM IQ的机身小巧轻便，只有1.3kg，实现轻松手持操作；同时在相机中直接集成了操作控制系统，通过相机自带的触摸屏就可实时实现基本数据的采集和分析过程（如预处理和分类例程），实现智能化操作。便携手持、现场实时快速检测、全自动智能分析、高质量数据，相信 SPECIM IQ 如此多的现代化特征会让您的高光谱研究更加得心应手！以下我们将SPECIM IQ采集的高光谱数据与已经十分成熟高光谱成像仪技术SPECIM V10E 进行定性对比，发现SPECIM IQ便携手持的设计并未影响到相机的数据准确性，一致地获得了高质量高光谱数据。同时，手持智能型SPECIM IQ还可以实现对植物表型的鉴定以及病害研究检测等，在植物科学研究及其他领域具有无限可能。1、手持智能型高光谱相机SPECIM IQ与SPECIM V10E的定性对比 通过与性能的SPECIM V10E相机对比，我们评估了新型SPECIM IQ的成像质量。SPECIM V10E在推扫式高光谱相机领域是一款具有代表性且广受好评的产品，与SPECIM IQ具有相同的光谱范围（400-1000nm）。在实验过程中，通过采用4倍的光谱合并，达到与SPECIM IQ相似的光谱采集，共有211个波段，每行数据具有1600个像素。研究人员利用两款设备分别在室内（卤素灯光源）和室外（自然光光源）对具有不同颜色的样本：纸片和聚乙烯胶片，进行了高光谱数据采集和对比。 图1 智能型高光谱相机SPECIM IQ（207mm*91mm*74mm） 经过对比，得到如图2所示结果。对相同样本，两款设备采集的光谱形状高度重合：实验室的平均值是0.009，室外平均值为0.043。SPECIM IQ和SPECIM V10E的平均标准偏差分别为室内（0.017和0.021）和室外相同（0.029和0.029），但SPECIM IQ更为均，SPECIM V10E在光谱边界处具有更高的噪声水平（400 -450nm和400-450nm）900-1000nm，见图2）。研究表明，除了925-970nm范围内的大气水汽吸收带之外，周围光谱的原始信号较弱，导致反射信号的快速增加。 图2 平均光谱包含绿色纸片（A）和紫色聚乙烯片（B）的标准差，C表示室内测试的不同颜色的样本 图3 室外数据的光谱对比（A-D）：绿色纸片、暗黄色纸片、紫色聚乙烯胶片以及蓝色聚乙烯胶片 2、手持智能型高光谱相机SPECIM IQ对拟南芥的生理胁迫研究 通过植被指数可评估不同状态下植被的生理结构和功能特性，包括生物量、冠层结构、叶面积指数、叶绿素含量以及植物冠层的光利用效率等。研究人员利用SPECIM IQ对拟南芥的两个变种在胁迫状态下的生理状态分别进行了研究。由于缺乏PsbS蛋白质和紫黄质脱环氧化酶，拟南芥的变种样本对光能量利用能力减弱（非光化学淬灭），但在室温条件下可正常发育，在高光照条件下，突变体可能受光损伤，这些都是肉眼无法察觉的。利用SPECIM IQ对18个样本进行数据采集，并对所采集的数据进行植被指数计算，在此基础上，对样本的叶绿素含量和类胡萝卜素转化的敏感程度进行了评估（图4）。 图4 在非胁迫适应（NSA）和胁迫适应（SA）拟南芥野生型（Col-0）和PQ缺陷突变体（npq1和npq4）之间观察到的差异。 左侧面板显示选定感兴趣区域的假彩色图像（A） NDVI（C） REIP（E） 和由SPECIM IQ采集数据计算的PRI（G）。 右侧面板显示计算出的平均值和标准差（B） NDVI（D） REIP（F） 和PRI（H）从三个单的植物随机分布在成像框架，不同的字母表示基于LSD的显着差异（a = 0.05）。 研究表明，SPECIM IQ可用于拟南芥中叶绿素（NDVI）和叶黄素（PRI）的含量的检测，并能评估植株样本的状态。通过验证具有代表性的植被指数，可为其它植被指数的评估计算提供样例，并为在植被研究领域获得更多生理信息奠定了基础。 3、手持智能型高光谱相机SPECIM IQ对大麦白粉病的研究 高光谱成像作为非接触式的测量传感器，在植物疾病严重程度与宿主植物对特定植物病原体的易感性的评估方面有很大的应用。本研究利用SPECIM IQ评估了不同大麦品种在冠层尺度上的白粉病严重程度，并对品种Milford和Tocada进行了4个和7个不同的白粉病易感性等的比较。研究准确地检测了两个品种的白粉病症状，并通过高光谱成像结合数据分析方法评估品种的不同疾病严重程度。研究人员利用SPECIM IQ对在温室中培养的360个大麦植物样本（稳定的漫射光条件下培养）进行检测，并使用的白色参考板（见图5）和SPECIM IQ的内置功能对高光谱数据进行归一化。研究人员利用SPECIM IQ Studio的光谱角匹配方法（SAM）进行感染检测并与支持向量机分类（SVM）方法进行对比，检测到上部叶中具有类似病状的区域。 图5 使用光谱角匹配（SAM）和支持向量机（SVM）对白粉病进行分类，图像左侧包含白色参考面板研究表明，大麦白粉病的样本检测到的疾病症状分别为所有植物像素的25.8％和4.4％，而健康部分只有2.0％和2.2％。现有的错误分类主要是白色参考边界处（看起来像叶面上的白色菌丝体）混合像素的影响。为了消除这种系统偏差，通过减去错误分类像素量来确定疾病严重程度，预测分析的品种的2.2％至23.7％的强烈差异。因此，SPECIM IQ可用来测量评估复杂冠层的疾病严重性，控制光源照明条件保证高信号质量，此项研究也证明SPECIM IQ空间分辨率足以确定大麦叶片上的单一症状。4、总结 手持智能型SPECIM IQ相机在植物生理和病害检测中具有巨大潜力。通过SPECIM IQ与SPECIM V10E室内和室外环境中对不同材质色卡辐射测量评估，得到两者的光谱特性高度一致性。根据植被指数分析得到的结果表明手持智能型SPECIM IQ在植物研究和表型分型策略的背景下的应用潜力：对于白粉病的评估，表明SPECIM IQ具有足够的测量能力，并且与SVM相结合，在量化中对视觉评估的高度一致性。作为新智能型的高光谱相机设备，手持式SPECIM IQ除具有高精度的数据质量外，其设备本身具有高紧凑性、可移动性强和快速集成处理能力，为科技新领域的应用创造了有利条件。手持智能型SPECIM IQ的发布让高光谱传感器技术以实验室设备的质量水平传输到温室和现场，而无需任何载体平台或控制和存储设备，因此，该款设备的诞生无疑可以支持各个场景下的不同应用，并推动现代高光谱技术在更多领域的发展和影响。 相关产品及其链接1、手持智能型高光谱相机SPECIM IQ：http://www.instrument.com.cn/netshow/C282348.htm 2、芬兰SPECIM高光谱航空遥感成像系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/C160539.htm 3、芬兰SPECIM 工业高光谱相机FX系列：http://www.instrument.com.cn/netshow/C265811.htm