一周两篇顶刊！中科院遗传发育所凌宏清团队在小麦抗条锈病基因挖掘与利用方面取得系列进展

2025年7月22日，中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室凌宏清研究员团队联合西北农林科技大学植物免疫团队康振生院士/韩德俊教授领衔的小麦抗病遗传与分子育种课题组在国际著名期刊Nature Genetics杂志以长文形式发表题为Genomics-driven discovery of superior alleles and genes for yellow rust resistance in wheat的研究论文，从全球尺度构建小麦条锈病“综合抗源”核心资源库，全面解析了普通小麦条锈病抗性遗传基础，并绘制首张小麦全基因组抗条锈病基因全景图，为抗病基因合理利用与设计育种提供了理论支撑。

小麦条锈病是全球性流行真菌病害，由于条锈菌小种变异频繁，全球各地相继出现新小种，致使大部分生产上使用的抗病基因丧失抗性，因此，需要不断寻找新的抗病（基因）资源来提高小麦新品种抗性，并从全局考虑，通过合理的基因布局来应对快速变异的条锈菌。基于此，本研究联合国内多家单位，在世界范围内征集了超过14000份普通小麦，包含国内外农家种、主栽品种、高代品系和核心种质等，根据来源、生长习性和多样性，并结合条锈病各流行区特点，挑选其中291份作为多样性代表进行全基因组重测序（其中约1600份为公共数据），首先绘制了高密度基因组变异图谱。结合多年多点的近47000个条锈病抗性表型数据，利用全基因组关联荟萃分析，全面揭示了全球各个麦区抗条锈病的遗传基础，首次绘制了包含431个QTL位点的小麦基因组抗条锈病基因全景图。

图1：小麦条锈病流行区分布和小麦种质遗传多样性、群体结构以及抗性表型多样性

图2：小麦抗条锈病基因全景图及抗性优异等位基因频率的时空分布

揭示了抗病基因在各个锈病流行区的分布和利用规律，阐明了一个世纪以来小麦条锈病抗性基因选择特征和流行病学特征之间的关系；在此基础上，进一步的结合转录表达、单倍型变异、候选基因关联分析等，筛选获得559个与抗条锈病相关的候选基因，并初步对其中的三个基因进行了图位克隆、突变体分析、转基因等功能验证。这些基因总体上可以分为三种不同类型，

例如：

（1）新优异等位基因Yr5x可抵抗当前潜在流行的条锈菌新生理小种；（2）兼抗小麦条锈病与白粉病等位基因Yr6/Pm5，揭示其可能通过I366T和M1011I两个关键氨基酸位点实现病原菌特异性识别；

（3）新型兼抗条锈病和叶锈病基因YrKB (TaEDR2-B)，且几乎无产量负效应。研究结果为大幅度提高小麦抗病性提供了理论依据和优质基因（组合），将有效地推动普通小麦抗病分子育种进程，为最终实现条锈病的绿色防控奠定坚实的基础。

    西北农林科技大学吴建辉副教授、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后/崖州湾国家实验室青年科学家马省伟、牛建青、西北农林科技大学博士生孙唯航和董海涛、中国科学院遗传与发育生物学研究所郑树松副研究员为论文的共同第一作者, 中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室凌宏清研究员、西北农林科技大学吴建辉副教授、康振生教授、韩德俊教授和曾庆东副教授为共同通讯作者。

二、凌宏清团队在小麦NLR免疫受体调控生长与抗病机制研究中取得新进展

2025年7月17日，中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室凌宏清研究员团队在国际知名期刊Plant Biotechnology Journal上在线发表了题为A semi-dominant NLR allele regulates growth and disease resistance in wheat的研究论文。该研究以小麦自发性叶片坏死突变体（necrosis leaf, necl）为研究对象，通过图位克隆、转录组测序、突变体分析及转基因验证等技术手段，以小麦品种SY Mattis基因组为参考，克隆了突变基因TaCNL。该研究系统解析了小麦免疫受体TaCNL通过关键氨基酸变异影响抗病与生长的分子机制，为人工改造抗病蛋白提供了重要线索，同时也为作物抗病育种提供了新的理论依据。

研究发现，TaCNL编码一个典型的核苷酸结合的富含亮氨酸重复序列（NLR）免疫受体。该受体中单个氨基酸的替换（Lys421Glu）可引发NLR蛋白的免疫自激活，导致苯丙氨酸（PAL）分解代谢途径和水杨酸（SA）途径相关基因上调表达，激活免疫反应，促进水杨酸和过氧化氢的积累，显著增强突变体necl对白粉病的抗性。然而，过量活性氧的积累又对叶绿体产生毒害作用，导致叶片出现类似超敏坏死的现象。此外，氨基酸定点突变研究结果显示只有当TaCNL的第421位氨基酸替换为酸性氨基酸时，才能诱发免疫自激活。这一发现为深入理解NLR免疫受体的功能调控机制提供了新的视角。

图：TaCNLnecl调控生长及增强小麦白粉菌抗性的潜在机制

    中国科学院遗传发育所/崖州湾国家实验室凌宏清研究员，中国科学院遗传发育所郑树松副研究员以及博士后司要奇为论文的共同通讯作者。中国科学院遗传发育所已毕业博士生田水泉、都婷婷，以及崖州湾国家实验室青年科学家牛建青为论文共同第一作者。中国科学院遗传发育所沈前华研究员为本研究提供了大量帮助与建议。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项研究项目、国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、中国博士后科学基金项目等资助。