小麦持久多抗基因Lr67/Yr46/Sr55/Pm46/Ltn3

    Lr67(Lr67/Yr46/Sr55/Pm46/Ltn3)是在小麦里发现的另一个多病害抗性基因，最初发现于巴基斯坦地方品种(PI 250413)，经转育导入小麦品种Thatcher(Dyck & Samborski 1979)。由于携带Lr67的小麦与携带Lr34(Lr34/Yr18/Sr57/Pm38/Ltn1)的小麦具有类似的多病害抗性，起初被认为是同一个基因，但后来发现，两者位于不同的染色体上，其中Lr34位于7DS，而Lr67位于4DL。目前Lr34和Lr67已经先后被克隆，两者分别编码ABC转运蛋白和己糖转运蛋白，抗病机理也完全不同。Lr34基因会显著降低小麦产量(~5.9%)，而携带Lr67基因的小麦品种未发现明显产量损失，因此，Lr67基因在小麦育种上更具有重要的应用价值。

1. Lr67基因的定位

1979年加拿大科学家Dyck和Samborski从巴基斯坦小麦中发现了一个叶锈病成株期抗性基因，之后通过连续回交将抗病基因导入小麦品种Thatcher，获得抗病株系RL6077 (Thatcher*6/PI 250413)，后来发现RL6077对条锈病和秆锈病也具有抗性(Dyck et al., 1994; Singh 1992)。2009年，Lagudah等(2009)利用分子标记证实RL6077中没有Lr34基因，推测RL6077中含有一个新的多病害抗性基因。Hiebert等(2010)通过对染色体配对行为的观察，否定了前人关于7DS上的Lr34基因易位到其他染色上的观点。进而使用全基因组SSR分子标记对RL6077中来自供体小麦PI 250413的染色体渐渗片段进行分析，发现5个多态性SSR分子标记(Xcfd71、Xbarc98、Xcfd23、Xwmc457和Xwmc48)与Thatcher/RL6077和RL6058/RL6077这两个群体中的叶锈病成株期抗性基因相关联(表1)。

表1  Lr67基因的SSR分子标记分析(Hiebert et al., 2010)

然后利用第三个来源于RL6077的分离群体进行连锁分析，发现位于4DL的SSR分子标记Xcfd71与抗病基因紧密连锁。由于4DL上没有已报道的抗叶锈病基因，RL6077中的新基因被正式命名为Lr67。Herrera-Foessel等(2011)将RL6077中的抗条锈病基因Yr46和Lr67定位到4DL染色体的同一区段(图1)。随后，Herrera-Foessel等(2014)还发现Lr67/Yr46位点可提供秆锈病和白粉病抗性，并呈现叶尖坏死症状，因而将其命名为多效位点：Lr67/Yr46/Sr55/Pm46/Ltn3。

图1 Lr67基因的物理图和遗传图(Herrera-Foessel et al., 2011)

2. Lr67基因的图位克隆

Moore等(2015)利用距离Lr67位点0.4 cM的分子标记Xgwm165筛选到1个BAC克隆，测序后注释出2个保守基因，发现其在短柄草和水稻之间具有良好共线性。然后，利用短柄草和水稻这个共线性区域内的其他保守基因开发分子标记，对Lr67辐射创制的感病突变体进行分子鉴定，检测出3个突变体(γ676、γ1656和γ1183)存在标记缺失，其中γ1183的缺失片段最小，并发现3个缺失的基因在野生型抗、感材料之间存在多样性，其中热激蛋白基因(HSP70)在抗病材料中缺失，而蔗糖转运蛋白基因(STP)和马铃薯Y病毒互作蛋白基因(PIP)在抗、感材料中存在等位变异，并在3个作图群体中都与Lr67共分离。接下来分析了其余8个不涉及分子标记缺失的感病突变体，发现突变都发生在STP基因上，而不涉及PIP基因(图2、图3)，由此推测STP基因是Lr67抗性必需的。

图2 Lr67基因的克隆(Moore et al., 2015)

Lr67基因编码具有514个氨基酸残基的蛋白质，有12个跨膜结构域，与H /单糖转运蛋白(H /monosaccharide symporter)中的STP13家族高度相似(图3)，以往研究表明该家族有助于己糖(hexose)的跨膜运输。抗病等位基因Lr67res(Lr67)和感病等位基因Lr67sus具有相同的启动子序列，并且都在叶锈菌侵染时上调表达。与LR67sus蛋白相比，LR67res蛋白具有两个氨基酸变异：第144位的甘氨酸变为精氨酸(G144R)和第387位的缬氨酸变为亮氨酸(V387L)。作者检测了3份推测含有Lr67基因的抗病小麦品种，发现都含有这两个变异位点，而24份感病小麦品种的Lr67sus和其他植物的Lr67同源基因编码产物中都是保守的G144和V387。随后，采用Lr67基因的诊断性SNP标记检测了2012-2013年CIMMYT的鉴定圃，未发现携带Lr67基因的小麦品种。值得注意的是，Lr67基因只存在于绿色革命之前的一些高秆小麦品种中，推测位于4DS上的半矮秆基因Rht-D1b和位于4DL上的感病等位基因Lr67sus在育种过程中被共选择了。由于Rht-D1b与Lr67分别位于不同的染色体臂，在育种应用中，应该比较容易创制和筛选出Lr67与RhtD1b重组的矮秆抗病种质。就地理分布而言，Lr67基因主要发现于印度旁遮普(Punjab)的地方品种中，而其他地区的品种很少携带。Moore等(2015)还分析了252份节节麦(小麦D基因组供体)，但只检测到了感病等位基因，这表明Lr67res抗病基因型是普通小麦形成之后产生的稀有自然变异(Moore et al., 2015)。

国内的小麦品种中还少见确切含有Lr67基因的报道，云南省农业科学院粮食作物研究所王志伟等(2020)利用分子标记CSTM4_67G对42个云南省育成的小麦品种和高代系进行了检测，发现云麦75、云15D4-15、宜麦1号、宜麦3号、凤麦32号和凤麦35号含兼抗型成株抗锈病基因Lr67/Yr46/Sr55，占检测材料的14.29%。我们在对河南省96个主栽小麦品种的条锈病抗性进行GWAS分析时，曾经在4DL染色体上检测到与条锈病抗性显著关联的位点，但需要进一步确认是否为Lr67/Yr46基因位点的贡献。

图3 LR67蛋白的结构示意(Moore et al., 2015)

Moore等(2015)将Lr67基因遗传转化感病小麦和感病大麦，在田间对转基因株系进行条锈病成株期抗性鉴定，结果显示，110个独立的T1小麦株系和25个T2小麦株系都表现为抗性(图4)。

图4 Lr67转基因小麦的叶锈病抗性(Moore et al., 2015)

大麦和野生大麦本身也都携带Lr67直系同源基因(HvSTP13)，但都不具有抗病等位基因特有的G144R变异。Milne等(2019)将G144R变异引入HvSTP13，并获得了稳定的转基因大麦株系，病害鉴定表明，转基因大麦表现苗期和成株期叶锈病抗性(图5)，推测Lr67基因在大麦和小麦中介导保守的抗病途径。

图5 Lr67转基因大麦的叶锈病抗性(Milne et al., 2019)

3. Lr67基因的抗性机理

为了检测LR67的己糖转运能力，作者利用己糖转运缺陷的酵母菌株EBY.VW4000表达LR67res和LR67sus，发现LR67sus可以吸收14C标记的葡萄糖，而LR67res不能吸收。然后对Lr67res基因进行回复突变，当LR67res的R144回复为G时能够恢复葡萄糖转运功能，而L387回复为V不能恢复正常功能。该结果表明，正是G144R变异使LR67res丧失了葡萄糖转运能力。另一项研究表明，G144R变异能使大麦同源蛋白HvSTP13丧失葡萄糖转运活性，而V387L变异使HvSTP13的葡萄糖转运活性减少~50%(Milne et al., 2019)。吸收动力学分析显示，LR67sus对葡萄糖具有高亲和力(Km = 99µM)，而对果糖亲和力低(Km = 1.3 mM)(图6)。LR67sus对葡萄糖是pH依赖型的，最适值为pH 5。LR67sus的葡萄糖转运活性不仅能被质子载体2,4-二硝基苯酚抑制，也能被葡萄糖类似物2-脱氧-D-葡萄糖、3-O-甲基葡萄糖和葡萄糖转运蛋白非运输的竞争性抑制剂根皮苷的抑制。这些结果表明LR67sus是一种H /己糖转运蛋白。此外，LR67sus对葡萄糖的转运也受到其他己糖和蔗糖(可在酵母细胞内转变为果糖和葡萄糖)的竞争性抑制，但不被二糖(海藻糖)、三糖(棉子糖)和戊糖抑制(Moore et al., 2015)。

图6 LR67己糖转运活性检测(Moore et al., 2015)

Milne等(2019)用100 µM的ABA处理Lr67res转基因大麦幼苗，观测到葡萄糖吸收的减少。另外，无论ABA处理，还是未处理的对照组，转基因大麦对葡萄糖的吸收都低于不含Lr67res的大麦。这表明，Lr67res也能在植物中降低葡萄糖的吸收。

小麦A和B亚基因组中的直系同源蛋白LR67A和LR67B也都被证实具有葡萄糖转运活性，两者的Km值分别为42 µM和46 µM。有意思的是，LR67res和LR67sus、LR67A或LR67B在酵母中共表达时，葡萄糖转运也急剧下降，双色荧光互补分析发现这些LR67蛋白可以形成同源二聚体和异源二聚体(图7)，说明LR67res可以通过显性负效应抑制其同源蛋白转运己糖的能力。在小麦中，Lr67提供的抗性具有显性或半显性特性，当缺失Lr67时小麦才表型为感病，这现象与LR67res转运葡萄糖时的显性负效应吻合(Moore et al., 2015)。

图7 LR67蛋白互作分析(Moore et al., 2015)

蔗糖在不同的生理过程中都发挥作用，并可以作为植物防卫应答的底物和信号。有些细菌效应子可以通过激活蔗糖转运蛋白(SWEET)而提高宿主的感病性，反之，破坏蔗糖转运蛋白基因可以增强宿主的抗病性。Moore等(2015)在证实LR67sus的己糖转运功能的基础上，提出了LR67res抗性的分子机理：LR67res因携带G144R变异而丧失己糖转运能力，阻断宿主细胞吸收胞外己糖，从而改变了宿主细胞内己糖/蔗糖水平和己糖/蔗糖介导的防卫信号，广泛限制各类活体寄生病原真菌的定殖。

参考文献

  1. 王志伟，王志龙，乔祥梅 杨金华，程加省，程耿， 于亚雄 (2020) 云南小麦品种(系)锈病和赤霉病抗性功能基因的KASP标记检测. 作物杂志 (1):187-193

  2. Dyck PL, Samborski DJ (1979) Adult plant resistance in PI 250413, an introduction ofcommon wheat. Canadian Journal of Plant Science. 59: 329–332.

  3. Dyck PL, Kerber ER, Aung T (1994) An interchromosomal reciprocal translocation in wheat involving wheat leaf rust resistance gene Lr34. Genome. 37: 556–559.

  4. Herrera-FoesselS, Lagudah ES, Huerta-Espino J, Hayden MJ, Bariana HS, Singh D, Singh RP (2011) New slow-rusting leaf rust and stripe rust resistance genes Lr67 and Yr46 in wheat are pleiotropic or closely linked. Theoretical and Applied Genetics. 122: 239–249.

  5. Herrera-FoesselS, Singh RP, Lillemo M, Huerta-Espino J, Bhavani S, Singh S, Lan C, Calvo-Salazar V, Lagudah ES (2014) Lr67/Yr46 confers adult plant resistance to stem rust and powdery mildew in wheat. Theoretical and Applied Genetics. 127: 781–789.

  6. Hiehert CW, Thomas JB, McCallum BD, Humphreys DG, DePauw RM, Hayden MJ, Mago R, Schnippenkoetter W, Spielmeyer W (2010) An introgression on wheat chromosome 4DL in RL6077 (Thatcher*6/PI 250413) confers adult plant resistance to striperust and leaf rust (Lr67). Theoretical and Applied Genetics. 121:1083–1091.

  7. Lagudah ES, Krattinger SG, Herrera-Foessel S, Singh RP, HuertaEspino J, Spielmeyer W, Brown-Guedira G, Selter LL, Keller B (2009) Gene-specific markers for the wheatgene Lr34/Yr18/Pm38 which confers resistance to multiple fungal pathogens. Theoretical and Applied Genetics. 119: 889–898.

  8. Moore JW, Herrera-Foessel S, Lan C, Schnippenkoetter W, Ayliffe M et al. (2015) A recently evolved hexose transporter variant confers resistance to multiple pathogens inwheat. Nature Genetics. 47:1494–1498.

  9. Milne RJ, Dibley KE, Schnippenkoetter W, Mascher M, Lui ACW, Wang L et al (2019) The wheat Lr67 gene from the sugar transport protein 13 family confers multipathogen resistance in barley. Plant Physiology.179: 1285–1297.

  10. Singh RP(1992) Genetic association of leaf rust resistance gene Lr34 with adult-plant resistance to stripe rust in bread wheat. Phytopathology. 82:835–838.

小麦族多组学网站：http://202.194.139.32

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