近日，生命科學學院何華綱團隊聯(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理。江蘇大學生命科學學院為第一完成單位，何華綱為第一作者兼通訊作者，合作單位河南大學高安禮副教授和中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王亞軍研究員為共同通訊作者，生命科學學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，在我國各大麥區(qū)廣泛發(fā)生，常年發(fā)病面積為一億畝左右，嚴重威脅我國小麥糧食安全，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，何華綱團隊首次報道了來源于硬粒小麥品種TRI 1796的2BS染色體上的抗白粉病新基因Pm68（經國際小麥命名委員會正式定名），在小麥抗病育種中具有潛在利用價值。
該研究通過精細遺傳作圖和基于分子標記的關聯(lián)分析進一步將Pm68鎖定在分子標記Xdw08/Xdw09之間。研究使用PacBio三代基因組測序和二代轉錄組數據的read-mapping分析表明，Pm68位點的兩個NLR基因Pm68-1和Pm68-2與抗病相關。研究分別將Pm68-1和Pm68-2構建到轉基因表達載體，采用農桿菌介導法導入感白粉病小麥品種Fielder。結果顯示，單獨攜帶Pm68-1或Pm68-2的轉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NLR基因聯(lián)合控制。進化研究表明，Pm68抗性位點起源于野生二粒小麥，進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之間的功能關系，研究者構建了一系列表達載體，在本氏煙草葉片中進行瞬時過表達實驗。結果表明，單獨表達Pm68-1和Pm68-2均不能夠引起煙草細胞死亡，而共表達Pm68-1和Pm68-2能夠誘發(fā)細胞死亡。對兩個NLR的MHD位點和P-loop位點進行突變分析，結果顯示只有Pm68-1與執(zhí)行細胞死亡有關。進一步分析不同結構域，發(fā)現(xiàn)只有全長Pm68-1和Pm68-2的CC1結構域共表達才能誘發(fā)煙草細胞死亡。由此推測，Pm68-1是誘導細胞死亡的關鍵參與者，其活性受到Pm68-2的CC1結構域的調控。Co-IP實驗證實Pm68-1與Pm68-2及其三個結構域都能發(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麥158雜交，并以揚麥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，而且該新種質的單株穗數、穗粒數和千粒重等重要農藝參數均顯著高于輪回親本揚麥158，具有較好的育種利用價值。
該研究從硬粒小麥中成功克隆了抗白粉病新基因Pm68，證實Pm68抗性是由兩個NLR基因聯(lián)合控制，并揭示了兩個NLR蛋白的分子互作機理，同時還創(chuàng)制了攜帶Pm68的抗白粉病小麥新種質，為其育種利用奠定了良好的基礎。
該研究得到國家自然科學基金面上項目等資助。（生命科學學院）
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