遺傳發育所等發現小麥抗白粉病基因

　　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銹病基因Rpg1，大麥抗散黑穗病基因Un8，小麥抗條銹病基因Yr15和小麥抗稈銹病基因Sr60。

　　近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所劉志勇研究組和中國農業科學院作物科學研究所李洪杰研究組合作報道了一個中國普通小麥地方品種中罕見的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基因序列差異為第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即為小麥抗白粉病基因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1069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1065份材料均未發現這種缺失，表明WTK3基因上的這種6 bp缺失為罕見的自然變異，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#1和ProUbi: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，根據轉基因后代抗病性鑒定結果，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(圖)。

　　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2月3日在線發表于《自然-通訊》（Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-020-14294-0）雜志上。劉志勇研究組助理研究員陸平為第一作者，研究員劉志勇和李洪杰為共同通訊作者；中科院遺傳發育所劉翠敏研究組、中國農業大學、北京農學院、湖北省農業科學院植保土肥研究所俞大昭團隊、美國UC Davis和USDA-ARS等單位的科學家也參與了研究工作。該研究得到國家自然科學基金委、科技部、中科院以及植物細胞與染色體工程國家重點實驗室的資助。

圖: 廣譜抗白粉病基因WTK3和WTK3人工變體的轉基因后代白粉病抗性