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最新观点丨大麦叶锈病抗性基因Rph3被成功克隆

作者:尹泽超,董振营

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全球粮食每年因病原微生物侵染造成至少10%减产,培育抗病品种是最为经济和环境友好的有效方法。大麦叶锈病(Barley leaf rust)是由大麦柄锈菌(Pucciniahordei)引起的重要病害,极端流行情况下可能导致作物产生毁灭性损失。目前在大麦至少已报道了28个大麦柄锈菌抗性位点,只有少数位点(包括Rph3)在大麦育种中得以应用,仅有3个基因被克隆。Rph3最初发现于大麦农家种“Estate”中,初定位于染色体7H的长臂,但是其基因一直未被克隆。

近日,悉尼大学RobertF. Park和墨尔本大学MohammadPourkheirandish团队及其合作者在Nature Communications杂志上发表了题为“The barley leaf rustresistance gene Rph3 encodes a predicted membrane protein and is inducedupon infection by avirulent pathotypes of Puccinia hordei”的研究论文。首先表型鉴定表明携带Rph3的大麦材料BW746比未携带Rph3的BW746近等基因系Bowman抗病性显著增强(图1)。进一步构建多个遗传群体,利用多达10,411个F2单株精细定位并克隆了Rph3基因(图2)。通过筛选突变体(图2)和利用转基因进行功能互补(图3),证明定位区间ORF2即为Rph3。

目前在所有数据库尚未查询到Rph3基因表达信息,进一步研究发现该基因仅被Rph3无毒P.hordei菌株侵染后诱导表达(图4),对RPH3二级结构预测,推测其为由5-7跨膜螺旋构成的膜蛋白,但是用其蛋白结构域在NCBI数据库进行搜索并未发现任何匹配序列,表明RPH3是一个植物中高度特异化的蛋白。进一步序列比对发现在小麦3个亚基因组各有一个同源基因,在感病的大麦测序材料Morex基因组7H染色体长臂98.8kb区间存在4个同源基因。系统进化树分析表明RPH3蛋白可能在大麦和小麦分化后进化出了对大麦柄锈菌的抗性(图5)。

在烟草叶片中瞬时表达Rph3基因,会导致叶片细胞坏死,表型同其他触发细胞程序性死亡的抗性基因(如Xa10,Xa27,Xa23,Bs4C)类似(图6)。

    对Bowman和 BW746这对近等基因系材料分别进行大麦柄锈菌接种,并对接种2天后的组织进行RNA-seq,仅能在抗病材料中检测到Rph3基因的表达。对差异基因进行GO分析,发现抗性材料中囊泡运输、蛋白转运等蛋白编码基因显著上调,下调基因中质体定位和光合作用相关蛋白编码基因则被显著富集。对所收集抗性材料Rph3基因进行PCR扩增和测序分析,发现所获Rph3序列完全一致,表明Rph3基因可能为单一起源。进一步对全球大麦种质资源进行遗传图谱分析,发现Rph3基因在驯化种中遗传多样性较低,而在来自地中海东部地区的野生种中遗传多样性较高,说明Rph3基因可能起源于野生大麦,并逐渐渗入到栽培大麦种质中。

综上所述,该研究成功分离和克隆了大麦叶锈病抗性基因Rph3,其只能被携带Rph3无毒基因的大麦柄锈菌诱导表达, Rph3的异源表达可诱导细胞死亡,Rph3的克隆和功能解析进一步揭示了植物-病原体互作系统的趋同进化过程。 

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原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29840-1


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