近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜團(tuán)隊(duì)張椿雨教授、楊慶勇教授課題組與沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)樸鐘云教授團(tuán)隊(duì)合作研究成果以“R gene triplication confers European fodder turnip with improved clubroot resistance”為題在Plant Biotechnology Journal發(fā)表。研究利用抗根腫病的歐洲蕪菁ECD04參考基因組，解析蕓薹屬根腫病抗性基因的演化歷程，為十字花科作物抗根腫病基因的克隆、標(biāo)記開(kāi)發(fā)，以及抗性育種提供了重要參考。

 

　　根腫病（Clubroot），被稱(chēng)作“十字花科癌癥”，是一種由根腫病菌（Plasmodiophora brasicae）引起的一種土傳性病害，通常會(huì)導(dǎo)致作物根系形成大量的腫瘤，從而阻礙作物從土壤中吸收養(yǎng)分與水分，嚴(yán)重者整株作物枯死。十字花科包含許多重要的蔬菜、油料和飼料作物，在我國(guó)分布廣、面積大，影響非常廣泛，對(duì)穩(wěn)定安全供給糧油、推進(jìn)三產(chǎn)融合、助力鄉(xiāng)村振興等方面有重要作用。我國(guó)每年約320~400萬(wàn)公頃十字花科作物遭受根腫病的危害，發(fā)病嚴(yán)重的地區(qū)損失可達(dá)到60%以上甚至絕收，因此根腫病的防治已經(jīng)成為一個(gè)重要的戰(zhàn)略問(wèn)題，從源頭選育根腫病抗性品種被認(rèn)為是控制根腫病蔓延最有效的策略之一。目前發(fā)現(xiàn)的根腫病抗性基因大多來(lái)自蕓薹屬A基因組，其中大部分的抗性位點(diǎn)來(lái)源于歐洲蕪菁。但高質(zhì)量的抗根腫病（Clubroot Resistance，CR）材料的參考基因組的缺乏嚴(yán)重阻礙了對(duì)A基因組中抗性基因的作用機(jī)制理解和育種實(shí)踐中的挖掘與利用。

 

　　研究人員在研究中選用了具有多個(gè)抗性位點(diǎn)的ECD04抗根腫病歐洲蕪菁，采用第三代PacBio測(cè)序技術(shù)結(jié)合染色體構(gòu)象捕獲（Hi-C）技術(shù)，成功組裝了“ECD04”的基因組，獲得了染色體水平的參考基因組序列，并將已報(bào)道的28個(gè)抗根腫病位點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)地整合，鑒定到62個(gè)抗根腫病候選基因，并通過(guò)轉(zhuǎn)基因和接菌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩個(gè)位點(diǎn)中的候選基因CRA3.7.1和CRA8.2.4對(duì)根腫病抗性的功能。該研究通過(guò)比較基因組學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)多個(gè)候選CR基因均來(lái)自祖先基因組的U區(qū)段。通過(guò)與鹽芥基因組的共線性分析發(fā)現(xiàn)，CRA3.7.1和CRA8.2.4在蕓薹屬三倍化之前的祖先基因組中已經(jīng)存在。比較基因組學(xué)分析結(jié)果進(jìn)一步表明，感病的白菜和油菜基因組的CRA3.7.1和CRA8.2.4序列存在大片段的結(jié)構(gòu)變異以及轉(zhuǎn)座子插入，可能與其抗性的缺失有關(guān)。

 

　　基于以上結(jié)果，研究提出蕓薹屬作物根腫病抗性基因的進(jìn)化演化模型：全基因組三倍化使得祖先基因組中的抗性基因加倍，增強(qiáng)了植株對(duì)根腫病的抗性。在蕓薹屬植物與病菌長(zhǎng)期互作和進(jìn)化過(guò)程中，三種互作模式共同存在：1）宿主與病菌達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，抗根腫病基因受到強(qiáng)烈正選擇而一直保留；2）宿主中根腫病抗性逐漸增加，限制了根腫病菌擴(kuò)散直至逐漸消失，最終導(dǎo)致抗根腫病基因功能喪失；3）人類(lèi)的活動(dòng)使得蕓薹屬植株傳播到其它沒(méi)有根腫病的地區(qū)，導(dǎo)致抗性基因功能逐漸喪失。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院已畢業(yè)博士楊植全（現(xiàn)廣州大學(xué)博士后）和植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院已畢業(yè)博士江瑩芬（現(xiàn)安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所副研究員）為論文共同第一作者。植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院張椿雨教授、信息學(xué)院楊慶勇教授和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院樸鐘云教授為該論文通訊作者。作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周永明教授、李再云教授在該研究過(guò)程中提供了重要指導(dǎo)和幫助。本項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金等項(xiàng)目資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Clubroot is one of the most important diseases for many important cruciferous vegetables and oilseed crops worldwide. Different clubroot resistance （CR） loci have been identified from only limited species in Brassica, making it difficult to compare and utilize these loci. European fodder turnip ECD04 is considered as one of the most valuable resources for CR breeding. To explore the genetic and evolutionary basis of CR in ECD04, we sequenced the genome of ECD04 using de novo assembly and identified 978 candidate R genes. Subsequently, the 28 published CR loci were physically mapped to 15 loci in the ECD04 genome, including 62 candidate CR genes. Among them, two CR genes, CRA3.7.1 and CRA8.2.4, were functionally validated. Phylogenetic analysis revealed that CRA3.7.1 and CRA8.2.4 originated from a common ancestor before the whole genome triplication （WGT） event. In clubroot susceptible Brassica species, CR-gene homologs were affected by transposable element （TE） insertion, resulting in the loss of CR function. It can be concluded that the current functional CR genes in Brassica rapa and non-functional CR genes in other Brassica species were derived from a common ancestral gene before WGT. Finally, a hypothesis for CR gene evolution is proposed for further discussion.

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1111/pbi.13827