近日，生命科學(xué)學(xué)院何華綱團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位在Nature Communications上發(fā)表題為An NLR pair in the Pm68 locus confers powdery mildew resistance in durum and common wheat的研究性論文，報(bào)道了小麥抗白粉病新基因Pm68的圖位克隆，并揭示了該基因的起源和抗病分子機(jī)理。江蘇大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為第一完成單位，何華綱為第一作者兼通訊作者，合作單位河南大學(xué)高安禮副教授和中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究員為共同通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院碩士研究生唐秋蓮、張倩淵分別為第二、第三作者。
小麥白粉病是由布氏白粉菌引起的流行性真菌病害，在我國(guó)各大麥區(qū)廣泛發(fā)生，常年發(fā)病面積為一億畝左右，嚴(yán)重威脅我國(guó)小麥糧食安全，挖掘和利用抗白粉病基因是控制白粉病危害的重要措施。2021年，何華綱團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了來(lái)源于硬粒小麥品種TRI 1796的2BS染色體上的抗白粉病新基因Pm68（經(jīng)國(guó)際小麥命名委員會(huì)正式定名），在小麥抗病育種中具有潛在利用價(jià)值。
該研究通過(guò)精細(xì)遺傳作圖和基于分子標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析進(jìn)一步將Pm68鎖定在分子標(biāo)記Xdw08/Xdw09之間。研究使用PacBio三代基因組測(cè)序和二代轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的read-mapping分析表明，Pm68位點(diǎn)的兩個(gè)NLR基因Pm68-1和Pm68-2與抗病相關(guān)。研究分別將Pm68-1和Pm68-2構(gòu)建到轉(zhuǎn)基因表達(dá)載體，采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法導(dǎo)入感白粉病小麥品種Fielder。結(jié)果顯示，單獨(dú)攜帶Pm68-1或Pm68-2的轉(zhuǎn)基因植株在苗期和成株期均表現(xiàn)為感白粉病，而聚合了這兩個(gè)基因的雜交后代表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗病性，因此，Pm68抗性是由一對(duì)NLR基因聯(lián)合控制。進(jìn)化研究表明，Pm68抗性位點(diǎn)起源于野生二粒小麥，進(jìn)而從野生二粒小麥中發(fā)掘到9種單倍型，豐富了抗白粉病基因資源。
為了確定Pm68-1和Pm68-2之間的功能關(guān)系，研究者構(gòu)建了一系列表達(dá)載體，在本氏煙草葉片中進(jìn)行瞬時(shí)過(guò)表達(dá)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，單獨(dú)表達(dá)Pm68-1和Pm68-2均不能夠引起煙草細(xì)胞死亡，而共表達(dá)Pm68-1和Pm68-2能夠誘發(fā)細(xì)胞死亡。對(duì)兩個(gè)NLR的MHD位點(diǎn)和P-loop位點(diǎn)進(jìn)行突變分析，結(jié)果顯示只有Pm68-1與執(zhí)行細(xì)胞死亡有關(guān)。進(jìn)一步分析不同結(jié)構(gòu)域，發(fā)現(xiàn)只有全長(zhǎng)Pm68-1和Pm68-2的CC1結(jié)構(gòu)域共表達(dá)才能誘發(fā)煙草細(xì)胞死亡。由此推測(cè)，Pm68-1是誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的關(guān)鍵參與者，其活性受到Pm68-2的CC1結(jié)構(gòu)域的調(diào)控。Co-IP實(shí)驗(yàn)證實(shí)Pm68-1與Pm68-2及其三個(gè)結(jié)構(gòu)域都能發(fā)生互作。
研究者將攜帶Pm68基因的硬粒小麥TRI 1796與感白粉病的小麥骨干親本揚(yáng)麥158雜交，并以揚(yáng)麥158作為輪回親本多次回交、自交后，創(chuàng)制了含有Pm68的普通小麥漸滲系，它在苗期和成株期均能表現(xiàn)出良好的白粉病抗性，而且該新種質(zhì)的單株穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等重要農(nóng)藝參數(shù)均顯著高于輪回親本揚(yáng)麥158，具有較好的育種利用價(jià)值。
該研究從硬粒小麥中成功克隆了抗白粉病新基因Pm68，證實(shí)Pm68抗性是由兩個(gè)NLR基因聯(lián)合控制，并揭示了兩個(gè)NLR蛋白的分子互作機(jī)理，同時(shí)還創(chuàng)制了攜帶Pm68的抗白粉病小麥新種質(zhì)，為其育種利用奠定了良好的基礎(chǔ)。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等資助。（生命科學(xué)學(xué)院）
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