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悉尼科学家破解困扰小麦锈病30年的遗传学谜题

2018年09月05日
小麦条锈病是一种在全世界范围内危害小麦作物的重要病害。
上周来自悉尼大学、CSIRO、英国John Innes中心、英国利马格兰和国家农业植物研究所(NIAB)的研究人员首次分离出了抵抗小麦条锈病的主效抗性基因(全生育期抗性基因)。

(文章的共同第一作者之一、悉尼大学在读博士研究生张建萍)


不断变异的病原菌引起的小麦条锈病害可使小麦减产70%,甚至更严重。在该项研究中,科学家们一次克隆出了三个相关的小麦抗锈病基因,分别为Yr7、Yr5和YrSP。这些成果将使这些重要的基因能够被准确地检测,并迅速应用到小麦的抗病育种工作中,从而抵抗那些不断变异的病原菌。

小麦是全世界三分之一以上人口的主要粮食作物,同时也是世界上最为重要的经济作物之一。但是,小麦锈病是最广泛和最具破坏性的小麦病害之一。条锈病(或黄锈病),因病害发生时产生的病灶呈鲜黄色、形状像条纹而得名,是全世界范围内最令人困扰的的小麦锈病,因为它能够很快适应不同的气候和环境。更为重要的是,目前可供育种者在生产实践中使用的有效抗病基因不多。

得益于科技的改良以及澳大利亚和英国之间的国际合作,才使得在短时间内同时分离这三个基因成为可能。

悉尼大学谷物锈病研究小组是全球小麦锈病研究的领军者(中心主任是罗伯特·帕克教授)。他们于2015年创建了突变群体并分别鉴定出了每个基因的突变体。与此同时,英国科学家也正在研究其中的两个基因。双方直到2017年4月在国际会议(第13届国际小麦遗传学研讨会)上了解了彼此的工作,并立即携手开展了合作研究。

这些研究成果上周在线发表于《自然—植物》期刊。

文章作者之一,来自悉尼大学的张鹏博士说,这项研究对我们理解小麦免疫受体蛋白类抗性基因有重要的贡献。尽管基因结构非常相似,但这三个基因分别具有各自的针对条锈病病原菌识别的特异性。

“这项工作最终分析出了这三个基因之间的关系,为这个超过30年的谜题提供了答案。”她说。

(悉尼大学张鹏博士)

“我们的工作代表了对小麦条锈病主效抗性基因的首次精确的分子克隆。”

文章的两位共同第一作者均为在读博士研究生:张建萍(导师为悉尼大学生命与环境科学学院的Robert Park教授、张鹏博士以及CSIRO的Evans Lagudah博士)和英国John Innes中心的Clemence Marchal。

张建萍说,以往从小麦中克隆一个抗性基因需要多年的时间。

“随着突变基因组学、测序技术和克隆技术的快速发展,使得我们能够在相对较短的时间内克隆这三个基因。”张建萍说。她是悉尼农业研究所和植物育种研究所(Cobbitty)的成员,同时在悉尼大学和CSIRO开展她的研究工作。

“现在我们对这三个重要基因的结构以及它们之间的关系有了透彻的了解。”

张鹏博士说:“我们已经开发出了相应的基因诊断标记,所以这些基因能够被迅速地应用到全球小麦的生产实践中,通过分子标记辅助来选择和培育具有这些性状的小麦。”

“此外,这些基因的克隆和功能分析可能会在未来产生崭新的作物病害控制策略。”她总结道。

延伸阅读

植物免疫受体“整合结构域”直到最近才被认定为开花植物抵抗病原菌而逐渐形成的一种新的抗病识别标志。这已迅速成为植物生物学的热门话题。

这项新研究发现了这些基因具有一种独特双BED结构域的NLR结构(BED结构域是以果蝇蛋白BEAF和DREF命名的蛋白质结构域,而NLR结构是核苷酸结合位点富含亮氨酸重复的区域,是一种最具代表性的植物抗性基因)。该结构是一种新型的真菌抗性基因结构,并且是植物抗性遗传学中的一个重大发现。除了在水稻中发现了一个具有该结构的细菌抗性基因外,在其它植物中尚未发现有该结构的基因。

研究人员设想可以通过基因编辑来修饰这些基因的结构,从而对不同的病原菌进行特异性识别。

悉尼大学是世界上从事谷物锈病研究最早的机构。本项研究的一部分早在20世纪90年代初便由悉尼大学植物育种研究所的Robert McIntosh教授发起。为了能够剖析这三个基因之间的关系,从那以后悉尼大学进行了大量深入的遗传分析。

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