让一个基因抗多种小麦病害

　　烟台大学团队完成小麦广谱抗白粉病基因Pm37的精细定位与克隆

　　2月17日，烟台大学马朋涛教授团队以研究长文形式在Nature Communications上在线发表了题为“Pm37 as a susceptible Sr22 allele confers resistance to wheat powdery mildew and leaf rust”的论文，烟台大学为论文第一完成单位。“小麦是我们国家最重要的粮食作物之一，病害发生会严重影响小麦产量，我们就是研究小麦的抗病基因应用于育种，从而减少农药的使用。”马朋涛介绍，该研究历经近十年，完成了小麦广谱抗白粉病基因Pm37的精细定位与克隆。尤其重要的是，通过改变部分序列，可对不同小麦产生完全不同的疾病抗性，并且还可以抵抗多种病害，在生产上具有重要意义。

　　NLR基因家族是一类在动植物中广泛存在的、参与免疫反应的关键基因家族，其编码的蛋白质在识别病原体、激活免疫信号通路和调控细胞死亡等方面发挥核心作用。该研究首次报道了NLR等位变异介导的小麦对白粉病和叶锈病的功能分化，为解析NLR基因家族的功能分化机制提供了依据，具有重要理论意义;同时也为利用基因编辑等技术人工改造NLR创制更多类型的抗性提供了序列模板，具有重要育种利用价值。

　　小麦是全球最重要的粮食作物之一，在生产中常面临多种病害的威胁。由专性活体营养型病原菌Blumeria graminis f. sp. tritici引起的小麦白粉病是威胁小麦安全生产最严重的病害之一。在小麦白粉病防控实践中，利用品种抗性是最经济、有效的措施。然而，在抗病品种推广应用中，病原菌与寄主的动态协同进化很容易使单一抗性基因随着病原菌的进化和新的毒性小种的出现而丧失抗性。因此，发掘多样化的抗性基因资源，并解析其抗病遗传和分子机制，对于小麦病害的持久防控具有重要意义。

　　研究综合利用图位克隆及PacBio SMRT长读长基因组测序，从小麦种质NC99BGTAG11中克隆了Pm37。Pm37编码一种典型的CC-NBS-LRR类受体蛋白，引起细胞死亡诱导活性主要由其CC结构域介导。有趣的是，Pm37与小麦抗秆锈病基因Sr22互为感病等位变异，但在功能上却发生从白粉病抗性到秆锈病抗性的根本性分化，同时发现Pm37还对叶锈病表现出中等程度抗性。这种“等位基因抗不同病害”的现象在小麦NLR基因家族中极为罕见，具有重要理论研究与育种利用价值。

　　“简单来说，我们克隆出的Pm37，本身具有高水平的抗白粉病功能，同时可以抵抗叶锈病，通过改变基因的几个碱基序列，它还能分化出秆锈病抗性。”马朋涛介绍，“我们还发现了该基因的起源与进化路径。”

　　现代小麦是由一粒小麦、拟斯卑尔脱山羊草、粗山羊草等3种野生植物经过两次天然远缘杂交、两次染色体加倍，历经9000多年的自然选择和人工驯化而形成的复杂异源六倍体物种。研究发现，Pm37起源于古老的一粒小麦，经提莫菲维小麦做桥梁亲本渐渗到普通小麦基因组中，在普通小麦及其近缘种材料中分布频率极低，是一个尚未被广泛育种利用的珍稀变异。研究团队利用开发的功能标记Pm37-FM，对Pm37进行精准转育，已成功应用于多个小麦品种的抗病遗传改良，这些品系在保持高水平抗性的同时，尚未发现农艺及产量性状的连锁累赘，是一个不可多得的优秀抗病基因。