PBJ | 中科院遗传发育所安调过团队/江苏大学何华纲团队揭示两个源于黑麦的抗小麦白粉病基因的功能

小麦白粉病是由禾本科布氏白粉菌小麦专化型（Blumeria graminis f. sp. tritici）引起的流行性真菌病害，严重威胁小麦的安全生产。小麦近缘种属是小麦抗白粉病育种的宝贵基因资源，然而，外源抗病基因多以大片段染色体的形式整合到小麦基因组中，常伴有不利连锁累赘，是其在育种利用中的一大制约因素。如何发掘和高效利用小麦近缘种属中的抗病基因，是一大挑战。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心安调过研究员团队联合江苏大学何华纲副教授团队在Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Two functional CC-NBS-LRR proteins from rye chromosome 6RS confer differential age-related powdery mildew resistance to wheat”的研究论文，对来源于小麦近缘属黑麦（Secale cereale L., 2n = 2x = 14）的两个抗白粉病新基因PmTR1和PmTR3进行了克隆和功能解析。

该研究通过小黑麦和小麦品种的杂交、回交和多年的田间抗性评价，创制了两个不同黑麦亲本来源的小麦-黑麦新种质TR1和TR3，并将其所携带的抗白粉病新基因PmTR1和PmTR3均定位于黑麦6RS染色体。PmTR1和PmTR3表现不同的抗性模式：PmTR1表现少有的生育期相关抗性，抗性随生育进程而增强，而PmTR3表现广谱全生育期抗性。研究人员首先利用Co60-γ射线辐照TR1和TR3处于扬花期的穗子，创制大量小片段易位系/缺失系进行物理定位，锁定较小物理区间后（图1a），根据PmTR1的生育期抗性特点结合转录组分析获得了PmTR1的6个候选基因（图1b,c），进一步利用BSMV-VIGS（图2a,b,c）和EMS突变体分析（图2d）锁定了唯一关键候选基因，并转化高感白粉病小麦品种Fielder（图2e,f,g,h），验证了其抗白粉病功能。由于PmTR3与PmTR1的物理定位区间存在一定的重叠，进一步根据PmTR1的序列信息克隆了其在TR3中的等位基因，并利用BSMV-VIGS和转基因试验证实了PmTR3确实是PmTR1的功能等位基因。

PmTR1和PmTR3均编码CC-NBS-LRR类抗病蛋白，但PmTR1在三叶期开始表现抗病，PmTR3从第一叶期开始就表现抗病。为探究PmTR1和PmTR3抗性差异的分子机制，对PmTR1和PmTR3的表达模式和蛋白结构域功能进行了分析。结果表明，这两个基因的抗性受其基因表达水平的调控，表现出不同的表达模式，PmTR1在一、二叶期低表达，三叶期时显著高于一、二叶期，而PmTR3的基因表达量在一、二、三叶期均稳定表达。通过构建PMTR1和PMTR3的不同结构域或组合结构域的瞬时表达载体，利用烟草瞬时表达系统，发现二者的CC片段都能引发不依赖于病原菌的细胞死亡，PMTR1的CC-NBS和CC-LRR片段能引发细胞死亡，其他结构域和全长蛋白均不能引发细胞死亡，而PMTR3除CC片段外仅有全长蛋白能引发相对较弱的细胞死亡。LCI和pull-down试验进一步揭示，二者的CC片段均能与自身CC和LRR片段互作，但PMTR1的CC与NBS互作，而PMTR3的CC与NBS不互作（图3）。PMTR1和PMTR3的结构域的细胞死亡活性差异可能与不同的分子内互作模式相关。

在研究过程中，还开发了PmTR1与PmTR3的育种可用标记，创制了大量小片段易位系，可有效服务于PmTR1和PmTR3的染色体工程育种，为抗病基因的利用与抗性机制解析奠定了基础。下一步研究将结合分子标记辅助选择，创制育种性状优良的抗病纯合小片段易位系新种质应用于小麦抗病育种，以促进这两个抗白粉病新基因在生产上的有效利用和合理布局。

中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心安调过研究员与江苏大学何华纲副教授为论文共同通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心韩帼豪博士、柳洪博士与江苏大学朱姗颖副教授为论文共同第一作者。中国农业科学院植物保护研究所周益林研究员进行了苗期多菌株的抗白粉病鉴定。特别感谢中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员对论文的指导与帮助。该研究得到国家重点研发计划项目（2021YFD1200600）、国家自然科学基金面上项目（32272105、32171990）和植物细胞与染色体工程国家重点实验室开放课题（PCCE-KF-2021-05/2022-07）的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14165

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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