Nature Communications | 单个 NLR 基因赋予小麦对叶锈病和条锈病的抗性

学术 2024-11-19 11:09 湖北

叶锈病和条锈病是栽培小麦常见且具有重要经济意义的疾病，如果不加以处理，能够摧毁整块田地。除化学杀菌剂外，抗病（R）基因是保护小麦免受锈病菌侵害的主要手段。尽管已观察到 R 基因介导的广谱成熟期抗性，大多数 R 基因通常赋予对单一病原体种群的抗性，因此，多个 R 基因对于赋予对单一病原体的持久抗性是必要的。

2024年11月15日，Nature Communications 杂志在线发表了特拉维夫大学的一篇题为“ A single NLR gene confers resistance to leaf and stripe rust in wheat ”的研究论文。该研究本研究表明 Yr87/Lr85 是仅存在于沙伦山羊草（Aegilops sharonensis）和高大山羊草（Aegilops longissima）的 NLR 基因，分别赋予对导致条锈病和叶锈病的 P. striiformis tritici （Pst）和 Puccinia triticina （Pt）的特异性抗性，突出了这些物种作为小麦抗病基因来源的巨大潜力。

首先，该研究使用了EMS诱变来分离候选基因，通过PCR和诊断引物确认了所有16个M3系中存在导入的片段。易感的M3突变体与其抗性植株杂交产生了1:3的分离比，与感病小麦亲本品种Galil的杂交产生了均一易感的后代，表明对这两种病原菌的抗性是由单一遗传位点赋予的。并通过染色体分选和测序分析非编码区域，使用病毒诱导基因沉默（VIGS）技术验证候选基因的功能，证实了该基因是叶锈病和条锈病抗性所必需的，将候选基因命名为Yr87/Lr85。

图1：Ae. sharonensis Yr87/Lr85 的克隆和功能验证

随后，为了寻找更多的锈病抗性基因，筛选了244个高大山羊草品系组成的多样性面板，也获得了相似的结果。对候选 Ae. longissima 叶锈病抗性基因和 Ae. sharonensis Yr87/Lr85 的序列进行比对，结果显示这两个基因几乎相同：它们的大小完全相同，包含三个高度相似的内含子，外显子几乎完全相同，仅在三个同义核苷酸替换上有所不同，产生了4533 bp的CDS，编码1510个氨基酸的预测蛋白。表明本研究使用两种不同的方法从 Ae. sharonensis 和 Ae. longissima 中独立分离出一个直系同源的抗锈基因。

图2: Ae. longissima Yr87/Lr85 的克隆和功能验证

对Yr87/Lr85 赋予的抗性模式验证表明Yr87/Lr85 既不能阻止宿主入侵，也不能完全阻断病原菌，它可以减缓病原菌的发育来阻碍Pt和Pst的感染。在这方面，它更类似于成株抗性或缓慢生锈。然而，Yr87/Lr85 基因在幼苗和成年植物中赋予同样有效的抗性，因此应将其视为全期抗性（ASR）基因。Yr87/Lr85 对叶锈病和条锈病具有特异性，因为它对茎锈病或白粉病的病原菌均无效。并且该基因仅存在于 Ae. sharonensis 和 Ae. longissima 中。等位基因挖掘和系统发育分析表明，Yr87/Lr85 基因在两个物种之间存在几个水平基因转移事件，并且可能存在维持种群内基因多样性的进化压力。

图3： Yr87/Lr85 赋予幼苗和成年植物的抗性

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54068-6

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