IJMS:全基因组水平解析小麦抗叶锈病Lr47基因转录调控网络

由小麦叶锈菌（Puccinia triticina，Pt）引起的小麦叶锈病，是影响全球小麦生产的重要真菌病害。该病害造成的产量损失从7%到20%不等，而流行年份可高达50%。合理利用小麦抗叶锈病（Lr）基因仍是防治该病害最为有效的途径。目前已鉴定出的70多个Lr基因中，来自斯贝尔图山羊草（Aegilops speltoides）的Lr47基因被初步定位于普通小麦7号染色体的短臂。携带Lr47基因的小麦品种对我国全部叶锈菌生理小种均表现出较高抗性水平。然而，该基因在我国小麦育种中尚未得到广泛应用，基因克隆工作仍在进行，其转录调控网络同样亟待明确。
本研究以三个携带Lr47基因的普通小麦材料“Lr47-Yecora Rojo-BC6F5”、“Lr47-UC1037”、“Lr47-WhiteYecora”为实验组，以感病小麦材料“Thatcher”为对照组，分别接种我国小麦叶锈菌主要流行生理小种THTT，接种8天后在对照组中观察到大量叶锈菌夏孢子堆形成，而所有携带Lr47基因的小麦材料均表现出高抗表型。
进一步，对上述小麦材料“Lr47-Yecora Rojo-BC6F5”、“Lr47-UC1037”、“Lr47-White Yecora”苗期第三叶接种小麦叶锈菌THTT，以“Lr47-Yecora Rojo-BC6F5”接水处理为对照，接种3天后分别提取RNA样品。每种材料设置三个生物学重复，共12个样品进行12-Gb转录组测序。以中国春TGACv1参考基因组进行拼接，总共预测到128,794个转录本（原始数据近期将上传至NCBI BioProject PRJNA498364）。
通过比较“Lr47-Yecora Rojo-BC6F5”材料的接菌处理与接水对照，发现863个基因显著上调(q-value < 0.05, log2FoldChange > 1)，418个基因显著下调(qvalue < 0.05, log2foldchange < -1)。对差异表达基因进行KEGG注释，发现“植物-病原菌互作”途径中，Ca2 通道基因(CNGCs、CDPK、Rboh、CaM)、FLS2、RPM1、PR1及HSP90等多个基因富集明显。
此外，在所有上调基因中，有28个基因位于7AS、7BS、7DS染色体上，其中又包括8个基因编码不同类型的受体激酶蛋白（RLKs）。
利用荧光实时定量qRT-PCR技术，我们进一步测定了上述8个RLK基因在Lr47基因介导小麦抗叶锈病过程中的时间表达谱。
此外，为了明确Lr47介导的抗病反应的下游基因及转录调控网络，我们还分析了所有PR基因及多个转录因子基因家族（WRKY、ERF、MYB、bHLH、bZIP、NAC）在转录组文库中的表达模式。
本研究从全基因组水平，初步明确了Lr47基因介导的小麦抗叶锈病过程中的转录调控网络，挖掘得到的差异表达基因为小麦抗叶锈病遗传改良提供了新思路，转录组本身可为该基因的克隆工作提供重要数据支持。
河北农业大学硕士研究生吴娇娇、高静、毕伟帅为该论文的共同第一作者，河北农业大学王逍冬副教授、中国农业科学院刘博老师为通讯作者。该论文于2019年9月11日发表于International Journal of Molecular Sciences，原文链接https://www.mdpi.com/1422-0067/20/18/4498。
特别感谢加州大学戴维斯分校Jorge Dubcovsky教授提供的Lr47基因相关小麦材料，该研究得到了国家重点研发计划、河北省高等学校青年拔尖人才项目、国家自然科学基金等项目的资助。
参考文献
  • Wu J, Gao J, Bi W, et al. Genome-Wide Expression Profiling of Genes Associated with the Lr47-Mediated Wheat Resistance to Leaf Rust (Puccinia triticina). International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20: 4498.
  • Helguera M, Khan I A, Dubcovsky J. Development of PCR markers for the wheat leaf rust resistance gene Lr47. Theoretical and Applied Genetics, 2000, 100(7): 1137-1143.
  • Wang X, Bi W, Gao J, et al. Systemic acquired resistance, NPR1, and pathogenesis-related genes in wheat and barley. Journal of integrative agriculture, 2018, 17(11): 2468-2477.
  • Li Z, Xia X, He Z, et al. Seedling and slow rusting resistance to leaf rust in Chinese wheat cultivars. Plant Disease, 2010, 94(1): 45-53.
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