中外研究团队同时报道小麦抗叶锈和杂种坏死基因的克隆和验证

      2021年5月6日，Molecular Plant同时在线发表了河北农业大学植物保护学院李在峰教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员团队合作成果 High-temperature wheat leaf rust resistance gene Lr13 exhibits pleiotropic effects on hybrid necrosis，以及澳大利亚悉尼大学-CSIRO联合团队的合作研究成果Wheat leaf rust resistance gene Lr13 is a specific Ne2 allele for hybrid necrosis。两项研究报道克隆了小麦高温成株抗叶锈病基因Lr13与杂种坏死基因Ne2，并揭示二者为同一个基因，该基因表现为一因多效。这些研究拓展了对植物抗病性与杂种坏死关系的认知，也为培育小麦抗叶锈病新品种提供了优良基因资源。

        小麦叶锈病是由叶锈菌引起的世界性真菌病害，严重威胁小麦生产。克隆和应用优异的抗叶锈病基因将有助于防控小麦叶锈病的发生。研究发现在将小麦抗叶锈病基因Lr13利用常规杂交导入一些小麦品种时，往往会引起杂种坏死现象。在小麦中，杂种坏死是由一对互补基因Ne1和Ne2共同控制。抗叶锈病基因Lr13与杂种坏死基因Ne2存在紧密连锁关系，但是二者是否为同一基因仍不清楚。

        小麦品种周麦22高抗叶锈病。温度试验表明，周麦22在相对高温时（25 ℃）表现出更好的叶锈病抗性。李在峰和刘志勇团队的研究通过精细作图将周麦22中的抗叶锈病基因LrZH22定位于小麦2BS染色体上0.15 cM遗传区间，对应中国春基因组68.95 kb的物理区间，包含两个基因：NBS-LRR(NLR)和Ribonuclease(RP)（图1）。利用MutRenSeq结合转基因技术证实其中的NLR基因为抗叶锈病基因LrZH22（图1）。进一步序列分析发现，LrZH22即为已知的Lr13基因。

        澳大利亚团队研究利用精细定位将小麦早衰基因els1定位在与LrZH22基因相同的遗传区间。表达谱和基因序列分析显示，NLR基因作为重要的候选基因。通过一系列的遗传杂交试验验证NLR基因即为早衰基因els1。基因序列分析表明，早衰基因els1与杂种坏死基因Ne2、抗叶锈病基因LrZH22和Lr13为同一基因。

        李在峰和刘志勇团队利用新开发的LrZH22/Lr13/els1/Ne2基因功能标记扫描来自全世界的650份普通小麦品系，发现其中31份材料含有LrZH22/Lr13/els1/Ne2，且均表现高抗叶锈病。值得注意的是骨干亲本周8425B和黄淮麦区及北部冬麦区的一些主栽品种，如良星99 、周麦22、农大212和烟农15等均携带有该基因，田间保持有效的叶锈病抗性。因此，抗叶锈病基因Lr13 的有效应用为我国小麦叶锈病防治做出了重要贡献。

        李在峰和刘志勇团队的研究由河北农业大学博士研究生闫晓翠、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后李淼淼、河北农业大学张培培副教授、河南农业大学殷贵鸿教授为论文共同第一作者。河北农业大学李在峰教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员为论文共同通讯作者。河北农业大学刘大群教授给予该项研究大力支持。该项目获得国家重点研发计划和国家自然科学基金支持。

        澳大利亚团队的研究第一作者是Timothy Hewitt，通讯作者为Robert McIntosh, Evans Lagudah和Peng Zhang。