9月6日，《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表了由山东农业大学、四川农业大学和美国爱达荷大学等单位共同完成的抗条锈病基因的图位克隆工作。该研究从小麦D基因组的供体物种节节麦，成功克隆了抗条锈病基因YrAS2388 （国际命名Yr28），并通过人工合成小麦为桥梁，将该基因导入到普通小麦，选育出优良新品系。山东农业大学和四川农业大学就该基因及其检测标记的应用申请了中国和国际专利。这是山东农业大学继2017年克隆“国宝级”基因-太谷核不育小麦Ms2后取得的又一重要科研成果。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11872-9
小麦条锈病是威胁全球小麦生产安全的重要真菌病害。我国历史上的多次条锈病大流行，造成小麦产量损失严重。培育和推广抗条锈病小麦品种是防治条锈病最为经济、有效且环保的技术措施。目前，大约有82个（Yr1-Yr82）正式命名、60多个暂命名小麦抗条锈病基因、300多个抗条锈病QTL被报道。但是，已克隆报道的基因仅有Yr5/Yr7/YrSP基因簇、 Yr15、Yr18、Yr36和Yr46。Yr5/Yr7/YrSP基因簇和Yr15具有全生育期抗性，Yr18、Yr36和Yr46为成株期部分抗性。Yr36和Yr46已被转移到了少数小麦品种中；Yr18广泛存在于小麦品种中，但在较高的发病压力下，Yr18不能单独赋予小麦足够的抗病性；Yr7已丧失抗性，Yr5和YrSP对部分生理小种丧失抗性。Yr15具有广谱全生育期抗性，但单一基因的广泛使用会增加毒性小种出现的风险。为了应对持续变异的小麦条锈菌种群，维持小麦对条锈病有效且持久的抗病水平，克隆新型抗条锈病基因势在必行。节节麦（Aegilops tauschii）是普通小麦D基因组的供体物种，具有广大的分布区域及丰富的遗传多样性，是小麦抗病虫害基因的重要来源。在2000年，国际小麦玉米改良中心（CIMMYT）Singh等人从人工合成小麦中鉴定到一个源于节节麦的抗条锈病位点，命名为Yr28，并将其定位到了4D染色体短臂上。后来，四川农业大学研究人员在节节麦材料中发现了显性抗条锈病基因YrAS2388，同样定位在4DS染色体臂上（Liu et al.2010; Huang et al.2011）。随后，山东农业大学与四川农业大学合作，发现YrAS2388普遍存在于来自里海附近的节节麦亚种strangulata亚种中（Liu et al. 2013），并推测YrAS2388为国际上命名的Yr28基因。两家单位合作开展了YrAS2388基因的图位克隆。利用小麦10k SNP芯片对3个F2分离群体进行分析，将YrAS2388基因区间缩小到2.4cM。利用节节麦基因组序列和SNP图谱信息开发标记，对4,205个单株进行重组体筛选，将区间进一步缩小到Xsdauw92和Xsdauw96之间约0.13cM的范围，有3个标记（Xsdauw93、Xsdauw94和Xsdauw95）与YrAS2388共分离。同时，构建了节节麦抗病亲本PI511383的Fosmid基因组文库，利用与YrAS2388基因连锁的标记，在YrAS2388区域获得20个Fosmid克隆，并构建了YrAS2388区域的物理图谱。在YrAS2388区间，共鉴定到3个表达基因，包括两个类受体蛋白激酶（RLK1，RLK2）和一个典型R基因（NLR4DS-1）。利用单倍型分析、EMS诱变和转基因技术，证实了NLR4DS-1即为YrAS2388基因。YrAS2388编码一个氮端具有四螺旋束（先前被归类为卷曲螺旋）的核苷酸寡聚结构域(nucleotideoligomerization domain, NOD)的类受体蛋白(NOD-likereceptor, NLR)。与YrAS2388基因的感病单元型（YrAS2388S）相比，抗病单元型（YrAS2388R）具有两个重复的3'非编码区（3'UTR1和3'UTR2），而且该基因的结构域中存在5种可变剪切（2种可变剪切与3'UTR1关联，另外3种可变剪切与3'UTR2关联）。转基因验证表明，YrAS2388R在普通小麦中对Pst具有抗病性，在大麦中对大麦专化型条形柄锈菌（Psh）也具有抗病性。虽然YrAS2388R基因在节节麦和人工合成六倍体小麦中普遍存在，但在所测试的461份六倍体普通小麦中未检测到。四川农业大学利用NLR4DS-1基因标记进行分子标记辅助选择育种，选育了小麦新品系蜀麦1675，在四川已开展了两年区域试验和一年生产试验。YrAS2388基因的克隆利用将极大促进小麦和其他麦类作物的抗条锈病育种。山东农业大学张朝中博士、四川农业大学黄林博士为该论文的共同第一作者，山东农业大学吴佳洁教授、四川农业大学刘登才教授和美国爱达荷大学付道林教授为通讯作者。该研究时间跨度大，持之以恒才得以取得阶段性成果。张朝中从2010年6月进入付道林老师实验室攻读硕士，2013再成为付老师的博士生，2019年6月博士毕业答辩。九年多时间，张朝中同志一直潜心YrAS388基因相关的研究工作。2008-2011年，黄林硕士期间在四川农业大学完成该基因的初定位等工作，2012-2016年在以色列海法大学完成博士学位后，回国继续参与YrAS388候选基因的功能验证工作。该项目先后也有多名博士生、硕士生、老师参与其中。吴佳洁老师、刘登才老师和付道林老师一如既往的指导和支持也是本研究取得阶段性成果的最重要因素。该研究空间跨度广，多家单位参与，最终实现合作共赢。我国四川盆地和美国太平洋西北部地区为世界上条锈病的高发区，为本研究提供了得天独厚的实验条件。从中国山东到四川，再到美国太平洋西北部地区，山东农业大学、四川农业大学、爱达荷大学小麦分子遗传实验室和美国华盛顿州立大学植物病理学陈贤明教授团队以及美国加州大学戴维斯分校Lynn Epstein教授和罗明诚博士等都为本研究都提供了大力支持。该研究使用了节节麦SNP芯片和Fosmid基因组文库。随着基因分型技术的快速发展，现在大家对SNP芯片甚至Genotyping by sequencing都已经很熟悉了，但本研究早在2009年就使用了罗明诚老师等开发的10k SNP芯片，不仅加速了基因的精细定位，也使定位的准确性大大增加。随着不同倍性小麦参考基因组的释放，为小麦基因的图位克隆提供了很大便利。由于完成基因组测序的基因型有限，所以参考基因组也不是万能的。本研究中使用了罗明诚老师等完成的AL8/78参考基因组，在精细定位和物理图谱构建过程中，我们发现不同节节麦居群间存在大片段插入/缺失，利用参考基因组无法获得更多的信息。研究团队大胆创新，自行构建了YrAS388供体亲本的Fosmid基因组混合池文库，并筛选获得了目标区间的Fosmid克隆，完成了物理图谱的构建。Fosmid基因组文库相对于BAC文库，不仅具有操作简单、节省成本的优点，也克服了BAC文库的偏好性。在参考基因组的支持下，Fosmid基因组文库在具有庞大基因组的麦族作物中可能会有更多的应用。虽然YrAS2388属于典型的NBS-LRR抗病基因，但与已经克隆的基因不同，该基因可能具有更复杂的表达模式和抗病机理，所以表现出了高水平的广谱和持久抗病潜力。由于该抗条锈病基因在普通小麦中没有检测到，因此具有很大的育种应用价值。相信后续有关该基因抗病机理的解析和育种应用的工作将更加精彩。张朝中，农学博士，2010年6月至2019年6月，山东农业大学作物生物学国家重点实验室，山东省“作物分子遗传学”泰山学者创新团队，攻读作物遗传育种专业硕士和博士学位；2016年12月至2019年7月，在美国爱达荷大学付道林教授实验室进行访问研究；2019年8月至今，在美国加州大学戴维斯分校Dubcovsky院士实验室从事小麦开花及穗部发育相关基因的功能研究。黄林，农学博士，2008年6月至2012年2月，四川农业大学小麦研究所硕士，完成节节麦抗条锈病基因YrAS2388的初定位；2012年3月-2016年12月，以色列海法大学进化研究所博士和博士后，完成野生二粒小麦抗条锈病基因Yr15的图位克隆；2017年1月-至今，四川农业大学小麦所专职科研，继续从事小麦条锈病功能基因的相关研究。
1. Liu DC, Zhang LQ, Yan ZH, Lan XJ, Zheng YL (2010)Stripe rust resistance in Aegilops tauschii and its genetic analysis. Genetic Resources and Crop Evolution 57:325–328
2. Huang L, Zhang LQ, Liu BL, Yan ZH, Zhang B, Zhang HG,Zheng YL, Liu DC (2011) Molecular tagging of a stripe rust resistance gene in Aegilopstauschii. Euphytica 179:313-318
3. Liu M, Zhang CZ, Yuan CL, Zhang LQ, Huang L, Wu JJ,Wang JR, Zheng YL, Zhang HG, Liu DC, Fu DL (2013) Stripe Rust Resistance in Aegilopstauschii Germplasm. Crop Science 53:2014–2020
4. Ni F, Qi J, Hao Q, Lyu B, Luo MC, Wang Y, Chen F,Wang S, Zhang C, Epstein L, Zhao X, Wang H, Zhang X, Chen C, Sun L, Fu D (2017) Wheat Ms2 encodes for an orphan protein that confers male sterility ingrass species. Nature communications 8:15121
5. Zhang CZ, Hang L, Zhang HF, Hao QQ,Lyu B, Wang MN, Epstein L, Liu M, Kou CL, Qi J, Cheng FJ, Li MK, Gao G, Ni F, ZhangLQ, Hao M, Wang JR, Chen XM, Luo MC, Zheng YL, Wu JJ, Liu DC, Fu DL (2019) Anancestral NB-LRR with duplicated 3’UTRs confers stripe rust resistance in wheatand barley. Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-019-11872-9
