【Nature Com 】重要进展！大麦叶锈病抗性基因Rph7被克隆

2023年9月6日，Nature Communications在线发表了澳大利亚悉尼大学和澳大利亚联邦科学与工业组织（CSIRO）农业与食品研究所Peter M. Dracatos、Robert F. Park和Evans Lagudah及其合作者题为“A pathogen-induced putative NAC transcription factor mediates leaf rust resistance in barley”的研究论文。该研究通过精细定位和转录组测序方法分离到一个大麦叶锈病抗性基因Rph7，该基因是一个非经典的抗性基因，其表达受病原菌诱导。结构分析表明该基因编码一个具有锌指-BED结构域的 NAC转录因子，基因表达分析表明该基因介导基础防御反应的激活和强度。该研究为提高大麦及其他作物锈病抗性提供了重要的基因资源和途径。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-41021-2

大麦（Hordeum vulgare L.）是全球温带气候下种植的主要谷物，其产量仅次于玉米、水稻和小麦，在谷类作物中排名第四。全球生产的70%的大麦用作动物饲料，其余的30%用于酿造啤酒和制作食品。叶锈病是由大麦柄锈菌（Puccinia hordei Otth.）引起的一种真菌性病害，其对大麦的产量造成严重影响。通过大量的遗传克隆研究鉴定到部分大麦抗叶锈病位点并被利用，然而目前对于大部分抗性位点的基因及其功能并不清楚。

该研究中，作者基于大麦中一个早期报道的叶锈病抗性位点Rph7，利用具有该抗性位点的供体品种Cebada Capa进行基因重组的精细定位和RNA-seq分析两种策略，对该位点的候选基因进行鉴定。通过精细定位排除了之前推测的3个候选基因（图1），随后利用RNA-seq分析在目标区间鉴定到5个表达的基因，其中3个在携带Rph7位点的家系中上调，按时这些基因中的某个或是多个可能介导Rph7抗性。为了鉴定该位点的候选基因，作者利用化学诱变的方法对Rph7的近等基因系材料进行处理并创建了多个独立的Rph7敲除突变体，进一步结合MutChromSeq的方法鉴定到ZnF-BED1为Rph7的关键候选基因，并且发现在3H染色体上没有其他可能的候选基因，表明Rph7的下游靶基因可能发生突变或是其调节基因。

图1. 在Cebada Capa的Rph7位点鉴定的候选基因

基因序列显示ZnF-BED1基因全长为1197bp，其编码302个氨基酸，其中在C端含有一个锌指BED结构域（图2）。为了确定该基因是否介导Rph7位点的抗性，作者克隆了该基因通过农杆菌介导的转化实验进行遗传互补验证。通过抗病实验表明ZnF-BED1基因足以赋予Rph7介导的抗叶锈病。通过单倍型比较发现携带Rph7抗性位点的大麦品种具有同种单倍型，而其他品种具有不同的单倍型，说明该基因上的PAV或剪接位点突变是导致其抗性有无的原因。

随后作者利用蛋白结构预测工具AlphaFold2对Rph7的结构进行分析，并利用蛋白数据库对其结构进行搜索比对，发现其与拟南芥的ANAC019和水稻胁迫响应相关的NAC1转录因子的结构最为相似（图2）。进一步分析显示Rph7 N末端包含一个NAC结构域而C末端由锌指BED结构构成，而与最近克隆的小麦和大麦的叶锈病抗性基因的结构存在明显差异。

图2. ZnF-BED1与植物特异的NAC结构域蛋白具有结构相似性

作者接着对Rph7的近等基因系及其背景材料进行RNA-seq分析，差异表达基因的富集结果显示在植物基础防御激活相关的多种生物学过程有显著富集（图3），表明NAC转录因子类蛋白Rph7在调控细胞基础防御中发挥着重要作用。

图3. Rph7近等基因系及其背景材料之间检测的差异表达基因

接下来作者通过烟草和大麦原生质体系统瞬时表达Rph7，发现其能够诱导部分细胞死亡响应（图4）。Rph7介导的Cebada Capa免疫响应是由病原菌诱导的，因此暗示无致病力的P. hordei致病型编码同样的分泌效应子可作为一种转录激活子样效应子（TALE）。

图4. 在烟草瞬时表达和大麦原生质体中Rph7诱导细胞死亡响应

综上所述，该研究通过图位克隆和转录组测序的手段在大麦中解析了叶锈病抗性位点Rph7的关键基因，其编码一个非经典的NAC转录因子并介导植物防御响应的激活，同时揭示该基因的表达受病原菌诱导。该研究为提高大麦锈病抗性和进一步提高谷物产量具有重要意义。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41021-2

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！