近日，南京農業大學農學院小麥遺傳育種創新團隊張瑞奇教授小組在Nature Communications上發表了題為Wheat Pm55 alleles exhibit distinct interactions with an inhibitor to cause different powdery mildew resistance的研究成果。該研究通過圖位克隆小麥野生近緣種簇毛麥5VS染色體臂上的不同類型抗白粉病基因，揭示了Pm55兩個等位基因通過與抑制基因SuPm55不同互作，為平衡產量與抗性，形成生育期和組織依賴抗性的分子遺傳機制，為作物抗病基因間復雜的互作關系提供了新見解，為培育持久廣譜抗性品種提供了新途徑。白粉病（Blumeria graminisf. sp. Tritici, Bgt）是嚴重危害小麥產量和品質的世界性病害，發掘抗病基因、培育抗病品種是防治該病害最經濟有效手段。然而多數抗病基因對產量有負向效應。野生植物攜帶的抗性基因是未經人工馴化的自然變異，從中發掘不影響產量的抗性類型基因對小麥抗病育種十分重要。
作物對病原菌抗性具有多樣性，如生育期依賴抗性、組織特異依賴抗性及溫度依賴抗性等。盡管已克隆大量作物抗病基因，但對不同類型抗性的分子遺傳機制還知之甚少。本研究團隊前期利用不同來源簇毛麥（Dasypyrum villosum，2n=2x=14, VV），創制了分別攜帶抗白粉病基因Pm55和Pm5V的T5DL·5VS易位系，研究發現攜帶Pm55基因的T5DL·5VS易位系5葉期后表現高抗，成株期基部葉鞘感病，其它組織部位高抗，是生育期和組織依賴抗性類型。而攜帶Pm5V基因的T5DL·5VS易位系全生育期和所有組織均高抗白粉病。利用這兩個不同來源T5DL·5VS易位系構建遺傳分離群體，結合染色體分揀測序和BAC測序，圖位克隆了Pm55和Pm5V基因，發現二者為等位基因，編碼CC-NBS-LRR蛋白，分別重新命名為Pm55a和Pm55b（圖1）。
圖1 簇毛麥5VS染色體臂上SuPm55、Pm55/Pm5V圖位克隆進一步遺傳分析發現，Pm55a與一個連鎖的非同源CNL基因SuPm55互作，SuPm55CC結構域蛋白通過與Pm55aCC結構域蛋白形成二聚體，抑制細胞壞死。Pm55bCC結構域由于一個氨基酸的改變與SuPm55CC結構域蛋白不互作，因而SuPm55不抑制Pm55b的抗性。SuPm55基因的表達受發育調控，在苗期及成株期基部葉鞘高表達，從而抑制Pm55a基因苗期及成株期基部葉鞘的抗性。敲除SuPm55基因，盡管實現了全生育期和所有組織高抗，但植株分蘗和成穗數顯著降低。因此，SuPm55-Pm55a互作平衡作物產量和抗性。聚合不同類型抗性基因是培育持久、廣譜抗性品種的有效途徑。然而等位基因的聚合利用難以通過常規雜交育種實現，轉基因育種技術聚合的抗性品種目前還難以生產利用。為了實現Pm55不同等位基因的聚合利用，創制了小麥-簇毛麥T5AL·5VS和T5DL·5VS雙重易位系種質NAU2021。其中，T5AL·5VS易位染色體攜帶SuPm55-Pm55a，T5DL·5VS易位染色體攜帶Pm55b，小麥白粉菌不同生理小種抗性鑒定和農藝性狀分析發現，聚合SuPm55-Pm55a-Pm55b的雙重易位系種質NAU2021等位基因間無抗性抑制產生，同時對產量主要相關性狀無顯著負向效應，該策略為培育持久廣譜抗性品種提供了新途徑。
南京農業大學農學院張瑞奇教授為論文通訊作者，研究生盧春甜和杜婕為共同第一作者。南京農業大學曹愛忠教授、邢莉萍教授和陳佩度教授參與了該項研究。湖北省農科院龔雙軍研究員，江蘇省農科院吳紀中研究員、付必勝博士，山東省農科院李根英研究員以及捷克人民共和國科學院Dole?el教授也參與該項工作。本研究得到國家自然科學基金面上項目、江蘇省農業自主創新基金和江蘇省種業振興等項目的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44796-0
日期：2024-02-17
作物對病原菌抗性具有多樣性，如生育期依賴抗性、組織特異依賴抗性及溫度依賴抗性等。盡管已克隆大量作物抗病基因，但對不同類型抗性的分子遺傳機制還知之甚少。本研究團隊前期利用不同來源簇毛麥（Dasypyrum villosum，2n=2x=14, VV），創制了分別攜帶抗白粉病基因Pm55和Pm5V的T5DL·5VS易位系，研究發現攜帶Pm55基因的T5DL·5VS易位系5葉期后表現高抗，成株期基部葉鞘感病，其它組織部位高抗，是生育期和組織依賴抗性類型。而攜帶Pm5V基因的T5DL·5VS易位系全生育期和所有組織均高抗白粉病。利用這兩個不同來源T5DL·5VS易位系構建遺傳分離群體，結合染色體分揀測序和BAC測序，圖位克隆了Pm55和Pm5V基因，發現二者為等位基因，編碼CC-NBS-LRR蛋白，分別重新命名為Pm55a和Pm55b（圖1）。
圖1 簇毛麥5VS染色體臂上SuPm55、Pm55/Pm5V圖位克隆進一步遺傳分析發現，Pm55a與一個連鎖的非同源CNL基因SuPm55互作，SuPm55CC結構域蛋白通過與Pm55aCC結構域蛋白形成二聚體，抑制細胞壞死。Pm55bCC結構域由于一個氨基酸的改變與SuPm55CC結構域蛋白不互作，因而SuPm55不抑制Pm55b的抗性。SuPm55基因的表達受發育調控，在苗期及成株期基部葉鞘高表達，從而抑制Pm55a基因苗期及成株期基部葉鞘的抗性。敲除SuPm55基因，盡管實現了全生育期和所有組織高抗，但植株分蘗和成穗數顯著降低。因此，SuPm55-Pm55a互作平衡作物產量和抗性。聚合不同類型抗性基因是培育持久、廣譜抗性品種的有效途徑。然而等位基因的聚合利用難以通過常規雜交育種實現，轉基因育種技術聚合的抗性品種目前還難以生產利用。為了實現Pm55不同等位基因的聚合利用，創制了小麥-簇毛麥T5AL·5VS和T5DL·5VS雙重易位系種質NAU2021。其中，T5AL·5VS易位染色體攜帶SuPm55-Pm55a，T5DL·5VS易位染色體攜帶Pm55b，小麥白粉菌不同生理小種抗性鑒定和農藝性狀分析發現，聚合SuPm55-Pm55a-Pm55b的雙重易位系種質NAU2021等位基因間無抗性抑制產生，同時對產量主要相關性狀無顯著負向效應，該策略為培育持久廣譜抗性品種提供了新途徑。
南京農業大學農學院張瑞奇教授為論文通訊作者，研究生盧春甜和杜婕為共同第一作者。南京農業大學曹愛忠教授、邢莉萍教授和陳佩度教授參與了該項研究。湖北省農科院龔雙軍研究員，江蘇省農科院吳紀中研究員、付必勝博士，山東省農科院李根英研究員以及捷克人民共和國科學院Dole?el教授也參與該項工作。本研究得到國家自然科學基金面上項目、江蘇省農業自主創新基金和江蘇省種業振興等項目的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44796-0
日期：2024-02-17
