突破！研究揭示小麦抗麦瘟病的分子机制

以下文章来源于小麦研究联盟 ，作者麦稷

麦瘟病是由稻瘟菌变异后侵染小麦形成的新的小麦病害， 1985年首次在巴西出现，之后逐渐传播到了南美、孟加拉和赞比亚等地区，有可能会进一步威胁全球小麦的安全生产，挖掘和应用相关抗病基因是防控麦瘟病的关键。小麦特异的抗麦瘟病基因Rwt3和 Rwt4分别可以识别麦瘟病致病菌的无毒基因PWT3和PWT4，当小麦同时含有两个基因时，能够阻止麦瘟病致病菌的入侵。

2023年2月16日，国际学术期刊Nature Plants发表了题为A wheat kinase and immune receptor form host-specificity barriers against the blast fungus的研究论文。由英国约翰-英纳斯中心Paul Nicholson和沙特阿卜杜拉国王科技大学Brande B. H. Wulff 团队领导的这项国际研究合作使用了创新的基因组发现方法来展示我们如何能够阻止新出现的高度破坏性病害：麦瘟病。该项研究克隆了Rwt3和 Rwt4，它们分别编码一个NBS-LRR免疫受体和一个串联激酶，并解析了Rwt3、Rwt4与PWT3、PWT4的互作关系。具体内容如下：

Br48是可以侵染小麦的稻瘟菌菌株，作者们首先通过转化构建了携带无毒基因PWT3或PWT4的菌株Br48+ PWT3和Br48+PWT3，并分别在苗期对320份小麦多样性材料进行了接种和表型鉴定，同时对这320份小麦进行NLR基因富集测序，然后通过全基因组关联分析（GWAS）进行抗病基因定位，并结合前期Rwt3和Rwt4的遗传定位区间初步获得了可以识别PWT3和PWT4的NLR候选基因。

小麦品种Jagger对麦瘟病表现抗病反应，为了验证Rwt3的候选NLR基因的功能，作者们通过筛选Jagger的TILLING群体找到了3个（2个纯合，1个杂合）在NLR基因上独立发生突变的突变系，接种Br48+PWT3后，2个纯合突变系表现感病，杂合突变系后代抗病性与NLR突变表现共分离，说明Rwt3 NLR候选基因与无毒基因PWT3诱发的抗病性有关。

Rwt4的候选NLR基因附近包含一个小麦串联激酶基因（WTK），该基因是抗白粉病基因Pm24的等位基因，因此作者将WTK和NLR基因均作为Rwt4的候选基因。采取与Rwt3同样的策略，作者们扫描了小麦品种Cadenza的TILLING突变体群体，共找到了10个（4个纯合，6个杂合）和3个（1个纯合，2个杂合）分别在NLR基因和WTK基因发生突变的突变系。对这些突变系接种Br48+PWT4后，在3个WTK突变系中，1个纯合突变与野生型相比变得更加感病，两个杂合突变系后代抗病性与WTK基因突变表现共分离，而10个NLR基因突变系均表现抗病，与野生型没有差异，说明WTK是Rwt4。这一结果为同一基因的不同等位基因对白粉病和麦瘟病两种不相关的病害表现抗病功能提供了新的证据。

图1 Rwt3与Rwt4的鉴定及突变体验证

之后作者分别设计了Rwt3和Rwt4的KASP标记，并对300份额外的小麦进行基因分型，发现其中193份对Br48+PWT3表现抗病的小麦中仅有145份含有Rwt3，同时在270份对 Br48+PWT4表现抗病的小麦中仅有136份含有Rwt4，这说明在这些小麦中还存在新的抗麦瘟病基因可以识别PWT3和 PWT4。因此作者们将含有Rwt3和 Rwt4基因的小麦去除后，又分别以Jagger和Mattis为参考基因组重新做了GWAS分析，结果在1B染色体上鉴定到了一个抗Br48+PWT4的新位点，Rwt4位于1D染色体，该位点位于Rwt4在1B染色体的等位基因区域，说明该位点可能是Rwt4的一个同源基因。在2A和7A染色体上鉴定到了两个对Br48+PWT3表现抗性的位点，其中7A位点位于Rmg2区域，2A位点位于Rmg7区域。Rmg2与Rmg7的发现用的也是Br48菌株, 因此，作者认为新鉴定的两个位点分别对应Rmg2和Rmg7。携带Rmg2和Rmg7的小麦对Br48和Br48+PWT3表现出了类似水平的抗性，说明这个抗性是由于和Br48的互作产生的。之后作者又设计了Rwt4-1B同源基因的KASP标记与Rwt4-1B，Rwt3的标记一起供育种家使用。

图2 去除含有Rwt3与Rwt4小麦后的抗稻瘟病全基因组关联分析

最后作者们提出了一个麦瘟病出现以及PWT4介导的抗性的可能的工作模型，作者们认为，可能是由于Rwt3抗性的丧失，使得骨干小麦Anahuac 等众多小麦失去了对麦瘟病菌的抗性，造成了麦瘟病的流行。而Rmg8可以识别AVR-Rmg8，但是与Rmg7一样被PWT4克服，而Rwt4可以使PWT4介导的抗性恢复，因此作者们提出确保Rwt4在品种中的应用，不仅是阻断麦瘟病爆发的重要因素，也是保持Rmg8介导的抗病性所必须的。

图3 麦瘟病出现以及PWT4介导的抗性的可能的工作模型

原文链接：

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.27.477927v1

转自：“iPlants”微信公众号

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