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劉志勇研究組發現新類型的小麥抗白粉病基因

  串聯激酶蛋白(tandem kinase protein, TKP)含有兩個激酶結構域,是在麥類作物(小麥和大麥)中發現的一種新類型的抗病基因。目前從麥類作物中已經克隆到的串聯激酶基因有大麥抗稈鏽病基因Rpg1,大麥抗散黑穗病基因Un8,小麥抗條鏽病基因Yr15和小麥抗稈鏽病基因Sr60 

 

  近日,中國科學院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究组和中国农业科学院作物科学研究所李洪杰研究组合作报道了一个中国普通小麦地方品种中罕见的TKP蛋白突變Wheat tandem kinase 3 (WTK3)獲得了小麥抗白粉病功能。通過正向遺傳學的方法,從中國小麥地方品種“葫蘆頭”中圖位克隆了小麥抗白粉病基因Pm24,該基因編碼一個具有串聯激酶結構域的蛋白WTK3,抗白粉病品種與感白粉病品種中的WTK3基因序列差異爲第5外顯子上的6 bp缺失。通過轉基因和EMS感病突變體分析,證明了“葫蘆頭”中的WTK3即爲小麥抗白粉病基因Pm24,該基因第5外顯子上的6 bp缺失賦予了Pm24基因抗白粉病功能。對來源于世界各地的1,069份普通小麥和粗山羊草代表性種質資源中的WTK3基因進行單倍型分析,發現僅有4個中國小麥地方品種“葫蘆頭”、“白葫蘆”、“齒牙糙”和“紅芒麥”攜帶抗白粉病基因Pm24,且均在WTK3基因的第5外顯子上發生了6 bp缺失,其它1,065份材料均未發現這種缺失,表明WTK3基因上的這種6 bp缺失爲罕見的自然變異,使其獲得了抗白粉病功能。 

 

  通過WTK3基因的過表達載體ProUbi:WTK3、分別缺失3 bp序列載體ProUbi:WTK3#1ProUbi:WTK3#2、以及缺失12 bp序列載體ProUbi:WTK3#的人工變體進行小麥遺傳轉化,根據轉基因後代抗病性鑒定結果,發現WTK3基因只有在第5外顯子上缺失6 bp的情況下才能獲得抗白粉病功能() 

 

  Pm24(WTK3)基因對國內各省市收集到的93個多樣化小麥白粉病菌株都表現良好的抗性,說明Pm24是一個廣譜抗白粉病基因。在小麥育成品種中均未發現含有Pm24基因,表明這個優異抗病基因在現代小麥育種中尚未得到應用。Pm24基因的克隆使其在未來的小麥抗病性分子設計育種,尤其是基因組編輯育種中具有重要的應用價值。 

 

  這項研究成果于202023日在線發表于Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-020-14294-0)杂志上。刘志勇研究组助理研究员陆平博士为第一作者,刘志勇研究员和李洪杰研究员为共同通讯作者;中國科學院遗传与发育生物学研究所刘翠敏研究组、中国农业大学、北京农学院、湖北省农业科学院植保土肥研究所俞大昭团队、美国UC DavisUSDA-ARS等单位的科学家也参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中國科學院以及植物细胞与染色体工程国家重点实验室的资助。 

  : 廣譜抗白粉病基因WTK3WTK3人工變體的轉基因後代白粉病抗性