小麥赤霉病為全球小麥生產(chǎn)上常發(fā)的重要病害之一，由禾谷鐮刀菌等多種鐮刀菌屬真菌侵染開(kāi)花期的穗子造成，不僅對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重?fù)p失，而且脫氧雪腐鐮刀烯醇等真菌毒素的積累還會(huì)影響小麥品質(zhì)及威脅人類(lèi)健康。目前我國(guó)防治小麥赤霉病主要依靠初花期打藥來(lái)降低赤霉病發(fā)病。小麥抗赤霉病新品種選育并持續(xù)進(jìn)行新抗病基因發(fā)掘，是最有效的防控途徑之一，但長(zhǎng)期以來(lái)缺少抗性材料和理想的抗病基因資源，目前僅Fhb1基因被較為廣泛地應(yīng)用于育種生產(chǎn)，但其抗病機(jī)制并不清晰，而且Fhb1的利用背景依賴(lài)性很強(qiáng)，對(duì)一些冬性小麥的改良并不理想。因此，發(fā)掘小麥抗赤霉病育種的遺傳基礎(chǔ)尤為重要。
此前，研究人員利用四倍體長(zhǎng)穗偃麥草開(kāi)始了小麥遠(yuǎn)緣雜交育種工作，以硬粒小麥為母本，四倍體長(zhǎng)穗偃麥草為父本進(jìn)行雜交、回交和連續(xù)自交，意外發(fā)現(xiàn)育成的六倍體小偃麥具有非常好的赤霉病抗性。鑒定發(fā)現(xiàn)二倍體長(zhǎng)穗偃麥草同樣高抗赤霉病，且近期發(fā)表的研究表明四倍體長(zhǎng)穗偃麥草是由二倍體長(zhǎng)穗偃麥草同源加倍、進(jìn)化而來(lái)的。
為拓寬小麥遺傳資源及改良小麥赤霉病抗性，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員韓方普?qǐng)F(tuán)隊(duì)鑒定發(fā)現(xiàn)含有二倍體長(zhǎng)穗偃麥草(Thinopyrum elongatum)7E染色體的小麥材料具有很好的赤霉病抗性(Fu et al., JGG, 2012)。從2010年開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)利用10年時(shí)間集中進(jìn)行二倍體長(zhǎng)穗偃麥草端體附加系(CS-7EL)的花粉輻射工作，通過(guò)對(duì)843個(gè)穩(wěn)定的易位系進(jìn)行連續(xù)多年多點(diǎn)的大田、溫室赤霉病接菌鑒定和回交轉(zhuǎn)育，篩選得到了多份兼具赤霉病抗性且農(nóng)藝性狀優(yōu)良的小麥新品系(Guo et al.,2023 unpublished)，其中，易位系中科166(7D染色體小片段易位系)作為中抗赤霉病材料于2022年通過(guò)國(guó)家審定，易位系中科1878(6D染色體小片段易位系)進(jìn)入國(guó)家小麥良種聯(lián)合攻關(guān)2022-2023年生產(chǎn)試驗(yàn)。
韓方普在加拿大農(nóng)業(yè)部工作期間，鑒定發(fā)現(xiàn)含有十倍體長(zhǎng)穗偃麥草(Thinopyrum ponticum)7E2染色體的易位系及來(lái)自KSU的10份易位系均不抗赤霉病。團(tuán)隊(duì)成員們對(duì)含有Fhb7基因的小麥-十倍體長(zhǎng)穗偃麥草衍生系進(jìn)行赤霉病抗性鑒定，發(fā)現(xiàn)小麥-十倍體長(zhǎng)穗偃麥草易位系TNT-B和小麥-十倍體長(zhǎng)穗偃麥草部分雙二倍體SNTE122均高感赤霉病(Guo et al., Plants，2022)。
從2013年開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地進(jìn)行了分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)、抗病基因區(qū)段定位，得到61個(gè)7E染色體長(zhǎng)臂特異的分子標(biāo)記，并初步將抗病基因定位到7E染色體長(zhǎng)臂末端，發(fā)現(xiàn)5個(gè)分子標(biāo)記與抗病區(qū)段緊密連鎖。
易位系中科1878具有很好的赤霉病抗性，單花滴注接種鑒定達(dá)到蘇麥3號(hào)抗性水平，在濟(jì)麥22背景下將發(fā)病小穗數(shù)從13.43將低至1.43.基因組重測(cè)續(xù)表明小麥6D染色體長(zhǎng)臂末端攜帶100Mb左右的二倍體長(zhǎng)穗偃麥草7E染色體末端易位片段(圖1a-c)。為篩選來(lái)自7E染色體的抗赤霉病基因，團(tuán)隊(duì)對(duì)中科1878和濟(jì)麥22接菌96小時(shí)后的小穗進(jìn)行三代轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，最終篩選到25個(gè)與小麥差異較大的長(zhǎng)穗偃麥草來(lái)源的轉(zhuǎn)錄本，其中，轉(zhuǎn)錄本T26102注釋為GST蛋白，在接菌48小時(shí)后表達(dá)量顯著上調(diào)(圖1d,e)，并且與已經(jīng)發(fā)表的GST-Fhb7高度同源。
為進(jìn)一步研究T26102與赤霉病抗性間的關(guān)聯(lián)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)CS-7EL附加系、中科1878、小麥-十倍體長(zhǎng)穗偃麥草易位系4460、4462和小麥-十倍體長(zhǎng)穗草部分雙二倍體SNTE20均含有T26012的同源序列，且CS-7EL、中科1878、SNTE20中均含有兩個(gè)不同的拷貝(圖1f)。對(duì)含T26102同源序列的材料進(jìn)行接菌鑒定，他們發(fā)現(xiàn)4460、4462、SNTE20接菌96小時(shí)后表達(dá)量均顯著上調(diào)，卻與對(duì)照材料濟(jì)麥22同樣表現(xiàn)高感赤霉病(圖1g-i)，該結(jié)果與2022年此前研究中易位系TNT-B和SNTE122的相關(guān)結(jié)果一致(Guo et al., Plants 2022)。
為進(jìn)一步確定T26102的功能，研究人員首先構(gòu)建了pUbi:T26102過(guò)表達(dá)載體，得到了19AS161、濟(jì)麥22、中麥175三個(gè)品種的轉(zhuǎn)基因植株，對(duì)T0代植株和野生型對(duì)照進(jìn)行赤霉菌接菌鑒定，接菌7天后穗子均部分干枯，過(guò)表達(dá)植株抗性水平與野生型相比沒(méi)有顯著差異(圖2j,k)。為排除T26102與Fhb7間的氨基酸差異和啟動(dòng)子序列差異，研究人員對(duì)已發(fā)表的Fhb7基因序列構(gòu)建了過(guò)表達(dá)載體和內(nèi)源啟動(dòng)子載體，并轉(zhuǎn)入鄭麥7698和科農(nóng)199.對(duì)鄭麥7698背景的T0代轉(zhuǎn)基因植株和科農(nóng)199背景的T1代轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行接菌鑒定，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株的抗性與對(duì)照沒(méi)有顯著差異(圖2l-n)。
研究結(jié)果表明，T26102的同源序列在多個(gè)感病材料中存在且受誘導(dǎo)表達(dá)，其中部分材料中的序列與已發(fā)表的Fhb7基因區(qū)序列、啟動(dòng)子區(qū)序列均完全一致，T26102的過(guò)表達(dá)植株和Fhb7的過(guò)表達(dá)、內(nèi)源啟動(dòng)子植株均不具有赤霉病抗性。Fhb7不是抗病基因，根據(jù)多年鑒定及系統(tǒng)材料研究，在十倍體長(zhǎng)穗偃麥草中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似二倍體長(zhǎng)穗偃麥草的赤霉病抗性材料或基因。
相關(guān)研究成果于近日以Functional analysis of the glutathione S-transferases from Thinopyrum and its derivatives on wheat Fusarium head blight resistance為題發(fā)表在Plant Biotechnology Journal上。
2023年2月13日
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所
