近日，山东农业大学农学院吴佳洁教授团队在Nature Communications上发表了题为“Sequencing trait-associated mutations to clone wheat rust-resistance gene YrNAM ”的研究论文。该研究开发了利用性状关联突变体测序（Sequencing trait-associated mutations，STAM）方法克隆了小麦条锈病抗性基因YrNAM。

在这项研究中，首先使用Pst 抗性品系P10-46（WT）和7个Pst 敏感的M3系突变体进行STAM（图1a和b）。经过STAM，在7个易感突变体中共检测到7434个突变位点(G→A和C→T)，其中有一个转录本（T59230）在除M62外的6个易感突变体中发生突变（表1）。进一步研究发现，突变体M62的后代出现了抗感表型分离，且感病后代在T59230转录本中同样存在一个G→A的突变。此外，T59230在其他五个未进行STAM的易感突变体中发生突变。总之，T59230在所有12个易感突变体中均有突变（图1c）。因此，T59230是抗条锈病的候选基因。

表1. STAM测序数据统计

图1. STAM技术鉴定小麦抗条锈病基因YrNAM

对P10-46进行了基因组重测序，结果发现Contig NODE_33935与T59230完全匹配。通过序列比对，T59230由五个外显子组成，CDS全长为1227 bp，编码蛋白YrNAM的N端和C端分别具有NAM和ZnF-BED结构域（图1c）。突变体分析表明，NAM和ZnF-BED结构域都是抗性所必需的；12个感病EMS突变体中的6个在NAM结构域中发生突变，另外6个在ZnF-BED结构域中发生突变（图1c）。

为了进一步验证YrNAM是P10-46的抗性基因，研究者使用P10-46和一个Pst 易感突变体M19创建了F2群体。结果发现113株F2幼苗的条锈病抗性和敏感性分离为3：1；且YrNAM 连锁分子标记与条锈病敏感性完全相关。

为验证YrNAM对Pst 的抗性，构建YrNAM过表达载体（图2a），并将其转化到小麦条锈病敏感品系Fielder和CB037。结果表明转基因植物的感病表型与YrNAM的表达密切相关：表达YrNAM的转基因植株对Pst表现出免疫或者高抗表型，而未表达YrNAM的植株则表现出感病表型（图2b，c）。因此，转基因YrNAM赋予植株小麦条锈病抗性。

图2. 遗传互补实验表明YrNAM具有条锈病抗性

在中国春基因组1B中发现两个YrNAM 的同源基因，而在1A和1D中无同源基因。系统发育分析和分子标记调查揭示了长山羊草（Aegilops longissima）和沙融羊草（Ae. sharonensis）中具有YrNAM 同源基因，表明YrNAM 是一个古老的基因，起源早于小麦B亚基因组和D亚基因组祖先的形成，大约发生在730万年前。系统发生树分析显示YrNAM的ZnF-BED结构域高度保守，而与禾本科NLR-BED基因的ZnF-BED结构域明显不同，仅有37-44%的相似性。因此，YrNAM中ZnF-BED结构域的插入与NLR Rph15和Yr5/Yr7中ZnF-BED结构域的插入无关。

为了研究YrNAM在栽培小麦中的分布，从659份小麦材料中筛选了60份含Yr10（AF149112）抗性的小麦品系。仅有四个品系对分子标记YrNAM-F8R7 （位于YrNAM 的3’末端）呈阳性，但对其他分子标记YrNAM-F1R3（位于YrNAM 的5’末端）和YrNAM-F02R2（位于YrNAM 基因内部）呈阴性。然后在另一组小麦种质种进行了检测，包括578个中国品种和高级育种系以及59个匈牙利品种，并未在其中任何一个品种发现YrNAM 。上述结果表明大多数小麦品系中不存在YrNAM 基因，作者推测这可能与一种不受欢迎的性状Rg1 相关。

综上所述，利用STAM技术快速克隆了小麦抗条锈病基因YrNAM ，并对其抗性进行了遗传解析。该研究实现了小麦条锈病抗性基因的快速克隆，为抗条锈病小麦品种的培育提供了重要的基因资源，同时对其他优良性状基因的克隆具有重要的借鉴意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39993-2