小麦抗叶枯病基因 Stb15 的奥秘：从发现到应用的突破

为解决小麦叶枯病（STB）问题，研究人员开展 Stb15 基因研究，证实其编码凝集素受体样激酶，意义重大。

　　小麦，作为全球最重要的粮食作物之一，养活了数十亿人口。然而，有一种看不见的 “敌人”，长期以来一直威胁着小麦的产量和质量，它就是由真菌 Zymoseptoria tritici 引起的小麦叶枯病（Septoria tritici blotch，STB）。每年，全球因 STB 损失的小麦高达约 2400 万吨，农民们不得不投入大量资金使用杀菌剂来对抗它，但这不仅增加了生产成本，还可能对环境造成负面影响。为了找到更有效、更环保的解决办法，来自英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）等多个机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Plants》上。

在过去的研究中，虽然已经发现了一些控制小麦对 STB 抗性的基因（Stb 基因），但对这些基因的克隆和作用机制的了解还相对有限。Stb15 作为一个对特定 Z. tritici 分离株具有显著抗性的基因，引起了研究人员的极大兴趣。它不仅在欧洲小麦品种中广泛存在，而且对无毒分离株能产生完全抗性，这在 Stb 基因中是较为罕见的，因此成为研究 STB 抗性生物学的理想候选基因。

为了深入探究 Stb15 基因的奥秘，研究人员利用了一个独特的资源 ——Watkins collection，这是一组代表绿色革命前小麦遗传多样性的地方品种。研究人员对 300 个 Watkins 品系进行了全基因组鸟枪法测序，并通过接种 Z. tritici 的不同分离株 IPO323 和 IPO88004，观察小麦的发病症状，记录叶损伤和分生孢子器覆盖情况，计算疾病进展曲线下面积（AUDPC）。

接着，研究人员使用全基因组关联研究（GWAS）方法，结合统计分析，成功将 Stb6 基因定位到一个离散的基因组区间，同时也确定了与 Stb15 基因相关的区域。通过对候选基因的进一步筛选和分析，研究人员最终确定了 TraesCS6A02G078700（中国春）/TraesARI6A03G03215890（ArinaLrFor）为 Stb15 的最可能候选基因。

为了验证这一结果，研究人员进行了突变分析和转基因实验。他们在 Arina 的 EMS 诱变群体中筛选出了三个对 IPO88004 敏感的突变体，这些突变体在 Stb15 候选基因的开放阅读框中均发生了非同义转换突变。同时，将包含 Stb15 基因的序列转化到对 IPO88004 敏感的小麦品种 Fielder 中，结果表明转基因植株对该分离株产生了抗性，而对照植株则易感，这证实了 TraesARI6A03G03215890 就是 Stb15 基因，且它编码一种凝集素受体样激酶（lectin receptor kinase，LecRK）。

研究还发现，Stb15 基因在不同小麦品种和相关物种中存在多种等位基因和同源基因。其功能等位基因在 Watkins 核心 300 品系中虽仅占 15%，但分布广泛，常与 Stb6 基因同时出现。此外，Stb15 基因的内含子 / 外显子结构在不同物种中存在多样性，功能等位基因无内含子，而中国春品种中该基因有四个内含子。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是全基因组关联研究（GWAS），对 Watkins collection 中的小麦地方品种进行研究，定位与 STB 抗性相关的基因位点；二是突变分析，通过 EMS 诱变构建 Arina 的突变群体，筛选与 Stb15 功能相关的突变体；三是转基因技术，将候选的 Stb15 基因转化到易感小麦品种中，验证其功能。

从研究结果来看，在定位 Stb15 基因方面，通过 GWAS 结合表型分析，确定了位于 6AS 染色体上的一个 99-kb 区域与 Stb15 抗性相关，最终锁定了 TraesARI6A03G03215890 为候选基因。对 Stb15 基因功能验证发现，突变分析和转基因实验证实该基因编码的 LecRK 对小麦抵抗 Z. tritici 具有关键作用。而关于 Stb15 基因的多样性研究，发现其在不同小麦品种和相关物种中存在多种等位基因和同源基因，基因结构存在差异。

总的来说，这项研究成功克隆了 Stb15 基因，并明确其编码一种凝集素受体样激酶，这极大地增进了人们对小麦与 Z. tritici 相互作用分子机制的理解，为小麦抗 STB 育种提供了重要的理论依据和基因资源。同时，研究还展示了 GWAS 在克隆分子水平了解较少的性状基因方面的强大作用，为其他类似研究提供了借鉴。未来，有望基于这些发现开发出更有效的小麦抗 STB 策略，减少小麦产量损失，保障全球粮食安全。