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花期的穗子造成，不僅對產(chǎn)量造成嚴重損失，而且脫氧雪腐鐮刀烯醇等真菌毒素的積累還會影響小麥品質(zhì)及威脅人類健康。目前我國防治小麥赤霉病主要依靠初花期打藥來降低赤霉病發(fā)病。小麥抗赤霉病新品種選育并持續(xù)進行新抗病基因發(fā)掘，是最有效的防控途徑之一，但長期以來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用于育種生產(chǎn)，但其抗病機制并不清晰，而且Fhb1的利用背景依賴性很強，對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穗偃麥草開始了小麥遠緣雜交育種工作，以硬粒小麥為母本，四倍體長穗偃麥草為父本進行雜交、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穗偃麥草是由二倍體長穗偃麥草同源加倍、進化而來的。

 

　　為拓寬小麥遺傳資源及改良小麥赤霉病抗性，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員韓方普團隊鑒定發(fā)現(xiàn)含有二倍體長穗偃麥草（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年開始，團隊利用10年時間集中進行二倍體長穗偃麥草端體附加系（CS-7EL）的花粉輻射工作，通過對843個穩(wěn)定的易位系進行連續(xù)多年多點的大田、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et al.,2023 unpublished），其中，易位系中科166（7D染色體小片段易位系）作為中抗赤霉病材料于2022年通過國家審定，易位系中科1878（6D染色體小片段易位系）進入國家小麥良種聯(lián)合攻關(guān)2022-2023年生產(chǎn)試驗。

 

　　韓方普在加拿大農(nóng)業(yè)部工作期間，鑒定發(fā)現(xiàn)含有十倍體長穗偃麥草（Thinopyrum ponticum）7E2染色體的易位系及來自KSU的10份易位系均不抗赤霉病。團隊成員們對含有Fhb7基因的小麥-十倍體長穗偃麥草衍生系進行赤霉病抗性鑒定，發(fā)現(xiàn)小麥-十倍體長穗偃麥草易位系TNT-B和小麥-十倍體長穗偃麥草部分雙二倍體SNTE122均高感赤霉病（Guo et al., Plants，2022）。

 

　　從2013年開始，團隊系統(tǒng)地進行了分子標記開發(fā)、抗病基因區(qū)段定位，得到61個7E染色體長臂特異的分子標記，并初步將抗病基因定位到7E染色體長臂末端，發(fā)現(xiàn)5個分子標記與抗病區(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到蘇麥3號抗性水平，在濟麥22背景下將發(fā)病小穗數(shù)從13.43將低至1.43，基因組重測續(xù)表明小麥6D染色體長臂末端攜帶100Mb左右的二倍體長穗偃麥草7E染色體末端易位片段（圖1a-c）。為篩選來自7E染色體的抗赤霉病基因，團隊對中科1878和濟麥22接菌96小時后的小穗進行三代轉(zhuǎn)錄組測序，最終篩選到25個與小麥差異較大的長穗偃麥草來源的轉(zhuǎn)錄本，其中，轉(zhuǎn)錄本T26102注釋為GST蛋白，在接菌48小時后表達量顯著上調(diào)（圖1d,e），并且與已經(jīng)發(fā)表的GST-Fhb7高度同源。

 

　　為進一步研究T26102與赤霉病抗性間的關(guān)聯(lián)，團隊發(fā)現(xiàn)CS-7EL附加系、中科1878、小麥-十倍體長穗偃麥草易位系4460、4462和小麥-十倍體長穗草部分雙二倍體SNTE20均含有T26012的同源序列，且CS-7EL、中科1878、SNTE20中均含有兩個不同的拷貝（圖1f）。對含T26102同源序列的材料進行接菌鑒定，他們發(fā)現(xiàn)4460、4462、SNTE20接菌96小時后表達量均顯著上調(diào)，卻與對照材料濟麥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）。

 

　　為進一步確定T26102的功能，研究人員首先構(gòu)建了pUbi:T26102過表達載體，得到了19AS161、濟麥22、中麥175三個品種的轉(zhuǎn)基因植株，對T0代植株和野生型對照進行赤霉菌接菌鑒定，接菌7天后穗子均部分干枯，過表達植株抗性水平與野生型相比沒有顯著差異（圖2j,k）。為排除T26102與Fhb7間的氨基酸差異和啟動子序列差異，研究人員對已發(fā)表的Fhb7基因序列構(gòu)建了過表達載體和內(nèi)源啟動子載體，并轉(zhuǎn)入鄭麥7698和科農(nóng)199，對鄭麥7698背景的T0代轉(zhuǎn)基因植株和科農(nóng)199背景的T1代轉(zhuǎn)基因植株進行接菌鑒定，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株的抗性與對照沒有顯著差異（圖2l-n）。

 

　　研究結(jié)果表明，T26102的同源序列在多個感病材料中存在且受誘導表達，其中部分材料中的序列與已發(fā)表的Fhb7基因區(qū)序列、啟動子區(qū)序列均完全一致，T26102的過表達植株和Fhb7的過表達、內(nèi)源啟動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，在十倍體長穗偃麥草中還沒有發(fā)現(xiàn)類似二倍體長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。