2021-05-24 15:30:59
串聯(lián)激酶蛋白(tandem kinase protein, TKP)含有兩個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域，是在麥類作物(小麥和大麥)中發(fā)現(xiàn)的一種新類型的抗病基因。目前從麥類作物中已經(jīng)克隆到的串聯(lián)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(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所劉志勇研究組和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李洪杰研究組合作報(bào)道了一個(gè)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(xué)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(gè)具有串聯(lián)激酶結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(duì)來源于世界各地的1069份普通小麥和粗山羊草代表性種質(zhì)資源中的WTK3基因進(jìn)行單倍型分析，發(fā)現(xiàn)僅有4個(gè)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(fā)生了6 bp缺失，其它1065份材料均未發(fā)現(xiàn)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(dá)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(jìn)行小麥遺傳轉(zhuǎn)化，根據(jù)轉(zhuǎn)基因后代抗病性鑒定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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?qū)鴥?nèi)各省市收集到的93個(gè)多樣化小麥白粉病菌株都表現(xiàn)良好的抗性，說明Pm24是一個(gè)廣譜抗白粉病基因。在小麥育成品種中均未發(fā)現(xiàn)含有Pm24基因，表明這個(gè)優(yōu)異抗病基因在現(xiàn)代小麥育種中尚未得到應(yīng)用。Pm24基因的克隆使其在未來的小麥抗病性分子設(shè)計(jì)育種，尤其是基因組編輯育種中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
這項(xiàng)研究成果于2月3日在線發(fā)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(fā)育所劉翠敏研究組、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京農(nóng)學(xué)院、湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所俞大昭團(tuán)隊(duì)、美國UC Davis和USDA-ARS等單位的科學(xué)家也參與了研究工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院以及植物細(xì)胞與染色體工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
圖: 廣譜抗白粉病基因WTK3和WTK3人工變體的轉(zhuǎn)基因后代白粉病抗性
來源：中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所
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