研究院陈时盛与合作者在《New Phytologist》发表论文“一粒小麦抗秆锈基因Sr60的克隆”
2019-09-05
2019年9月5日New Phytologist杂志在线发表了由美国加州大学戴维斯分校、北京大学现代农业研究院和美国米尼苏达大学等研究单位共同完成的研究成果“Wheat gene Sr60 encodes a protein with two putative kinase domains that confers resistance to stem rust”。北京大学现代农业研究院陈时盛博士为该论文的第一作者，美国加州大学戴维斯分校Jorge Dubcovsky教授为该论文的通讯作者。
原文如下：
小麦是人类最重要的粮食作物之一，为全世界三分之一以上的人口提供主食。小麦秆锈病是小麦的常见病害，严重威胁全球小麦的安全生产。1998年以来，由秆锈菌毒性小种Ug99及其变种引起的秆锈病大流行在非洲广大地区常年爆发，造成严重的产量损失。秆锈病的威胁不仅仅只有Ug99，从2013年起，另一些毒性小种，如TRTTF、TKTTF等，使非洲、欧洲多个国家也爆发秆锈病大流行。因此，为了应对快速变异的小麦秆锈菌种群，发掘新的抗秆锈病基因，克隆优质的抗病基因并开发诊断性选择标记，进而培育稳定高效的抗病小麦品种显得尤为重要。 一粒小麦包括T. urartu (AuAu)，T. monococcum（AmAm）和T. aegilopoides（或称为T. boeoticum，AmAm），具有丰富的遗传多样性，是小麦抗病基因的重要来源。在2007年，美国米尼苏达大学Rouse等利用多个秆锈菌小种对205份T. urartu和1062份T. monococcum、T. aegilopoides材料进行抗性鉴定，发现其中有多份材料可能含有新型抗秆锈病基因（Rouse et al. 2011）。随后，美国加州大学戴维斯分校Jorge Dubcovsky实验室与Rouse实验室开展合作，对可能含有新型抗秆锈病基因的材料进行了深入的研究。我们在其中一个栽培一粒小麦材料PI 306540中，鉴定到一个显性主效基因，该基因对多个美国流行的秆锈菌小种表现出中等抗性，并将其定位到了5AS染色体上。由于该基因是第一个在5AS染色体上发现的抗秆锈病基因，因此正式命名为Sr60（Chen et al. 2017）。
一、精细定位及候选基因预测：
本研究利用两个分离群体PI 306540 × G3116和PI306540 × PI 272557进行精细定位。Sr60位于5AS染色体的端粒部分，重组交换的频率很高，我们从2023个F2中筛选出目的区间发生染色体重组交换单株，重组体家系进行表型鉴定，结合中国春参考基因组进行标记的开发，最终将Sr60基因区间锁定在0.13cM范围内。利用两个侧翼标记和两个共分离的标记筛选抗病亲本PI 306540的non-arrayed BAC文库，得到74.5kb的物理图谱，其中只含有三个完整的基因：1个编码假设蛋白（ortholog ofTraesCS5A02G005100），1个是亮氨酸重复类受体蛋白激酶（ortholog of TraesCS5A02G005300，LRRK123.1）和1个编码串联激酶结构域蛋白（WHEAT TANDEM KINASE 2，WTK2）（Fig. 1）。
二、候选基因分析验证：
前两个候选基因非常保守，在PI306540中编码的蛋白序列与中国春和野生四倍体Zavitan中基本一样。而WTK2在Zavitan中完全缺失，在中国春中缺失了第二个激酶结构域以及全部的3’UTR区域。通过比较三个候选基因在亲本间的多态性，表达情况，单倍型分析和转基因互补实验（Fig. 2），表明WTK2应该是Sr60。比较分析WTK2的激酶结构域与其它92个具有相同串联激酶结构域的蛋白（Klymiuk et al., 2018），未发现与WTK2具有类似激酶结构域组合的蛋白。
前两个候选基因非常保守，在PI306540中编码的蛋白序列与中国春和野生四倍体Zavitan中基本一样。而WTK2在Zavitan中完全缺失，在中国春中缺失了第二个激酶结构域以及全部的3’UTR区域。通过比较三个候选基因在亲本间的多态性，表达情况，单倍型分析和转基因互补实验（Fig. 2），表明WTK2应该是Sr60。比较分析WTK2的激酶结构域与其它92个具有相同串联激酶结构域的蛋白（Klymiuk et al., 2018），未发现与WTK2具有类似激酶结构域组合的蛋白。
三、单倍型分析及回交转育：
仅鉴定得到一种抗病单倍型，与鉴定得到的8种感病单倍型相比，WTK2抗病单倍型最关键的差异是第二个激酶结构域后多了12bp碱基的插入。WTK2抗病单倍型只存在于少量T. monococcum材料中，在所测试的338份T. urartu、T. turgidum subsp.dicoccoides、T. turgidum subsp. dicoccon、T. turgidum subsp. durum和T. aestivum等小麦中均未检测到。为了促进该基因在育种中的使用，通过连续多代的杂交、回交、自交，结合基因选择标记，最终将含有WTK2的T. monococcum染色体片段渗入到六倍体小麦品系UC12014-36中。渗入的染色体片段大小为11.3 Mb-21 Mb，占整条染色体的1.6%-2.9%（Fig. 3）。该种质资源已经提交到美国种质资源库（编号PI 689563），以供全世界育种家使用。
仅鉴定得到一种抗病单倍型，与鉴定得到的8种感病单倍型相比，WTK2抗病单倍型最关键的差异是第二个激酶结构域后多了12bp碱基的插入。WTK2抗病单倍型只存在于少量T. monococcum材料中，在所测试的338份T. urartu、T. turgidum subsp.dicoccoides、T. turgidum subsp. dicoccon、T. turgidum subsp. durum和T. aestivum等小麦中均未检测到。为了促进该基因在育种中的使用，通过连续多代的杂交、回交、自交，结合基因选择标记，最终将含有WTK2的T. monococcum染色体片段渗入到六倍体小麦品系UC12014-36中。渗入的染色体片段大小为11.3 Mb-21 Mb，占整条染色体的1.6%-2.9%（Fig. 3）。该种质资源已经提交到美国种质资源库（编号PI 689563），以供全世界育种家使用。
