【科研】中国科院遗传发育所提出小麦抗病基因发掘新思路

展源 2022-08-01

小麦是重要的主粮作物之一，病害的种类多，病原菌变异速度快，抗病品种抗性经常丧失，严重制约了小麦的安全生产。发掘和利用抗病基因培育抗病品种是防治病害的重要举措，但主栽品种中抗病基因遗传基础狭窄，需要不断寻找多样化的抗病基因及其优异等位变异以实现抗性稳定持久的目标。

但由于普通小麦是异源六倍体作物，经历两次天然杂交多倍化和驯化后其遗传多样性大幅降低，优异基因及其等位基因遗传基础极其狭窄，限制了现代小麦育种中诸多性状（包括抗病性）的遗传改良。同时普通小麦基因组庞大，重复序列含量高，存在大量转座子插入导致基因沉默而功能丧失的基因。通过遗传操作激活这类隐匿或沉默的基因，使其重新焕发功能，将会极大丰富小麦基因资源库，对于培育高产多抗优质广适新品种具有重要意义。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇和赵玉胜团队合作在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》（SCI影响因子13.263）发表了题为“Provoking a silent R gene in wheat genome confers resistance to powdery mildew”的研究论文。该研究利用转基因手段对一个广泛存在于现代小麦品种中的被转座子插入而沉默的抗病基因序列进行遗传操作，使其在感病小麦品种中表达，重新赋予其抗白粉病功能，为发掘利用小麦基因组中大量被沉默和从未被育种利用的优异基因，增加小麦遗传多样性提出了全新的思路。

研究团队在前期从野生二粒小麦中克隆到抗白粉病基因Pm41的基础上，对该基因在小麦野生和栽培种质资源中的单倍型变异进行了深入分析，发现Pm41位点野生二粒小麦群体中包含多种单倍型（Hap1-Hap7），而在硬粒小麦和普通小麦中只存在3种单倍型Hap2（Pm41b，90%）、Hap3（Null，3-5%）和Hap7（5-7%），显示该位点在小麦进化和驯化过程中存在非常明显的遗传瓶颈。基因序列和表达分析发现，单倍型Hap2和单倍型Hap4-Hap7均在启动子和3’-UTR区均存在转座子插入，导致基因沉默不表达，但均具有完整的潜在编码框。“既然这些栽培小麦中的Pm41单倍型因为转座子插入不表达而不能表现抗病功能，那么是否可以通过人工转基因的方式，使其重新获得抗病功能？”研究团队以硬粒小麦和普通小麦中都占绝对优势比例的单倍型Hap2（Pm41b）为目标，设计构建了两个重组载体，分别是由玉米Ubiquitin强启动子驱动的Pm41b基因CDS和由Pm41a启动子驱动的Pm41b基因组序列，通过农杆菌介导的小麦稳定遗传转化分别获得了稳定的纯合转基因家系，发现其对小麦白粉病表现出免疫或高抗，表明重新激活沉默的Pm41b基因可以赋予其抗白粉病功能。此外，也未发现激活Pm41b基因对小麦主要农艺性状和产量有不良影响。

该研究不仅为抵抗小麦白粉病提供了新的可用基因资源，而且展示了发掘作物基因组中此类隐匿和沉默的优异功能基因进行高产抗病设计育种的新策略和新思路，在未来精准基因组编辑育种中具有重要的潜力。论文第一署名单位为中国科学院遗传与发育生物学研究所，李淼淼副研究员、在读博士生董磊和朱科宇为论文共同第一作者，刘志勇研究员、赵玉胜研究员和董玲丽副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、海南崖州种子实验室、中国科学院以及植物细胞与染色体工程国家重点实验室的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13903

内容来源：植物微生物最前线

责任编辑：展源

审　　核：何发

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