小麦新基因 Sr8155B1：对抗 Ug99 茎锈病的希望之光

为应对小麦茎锈病威胁，研究人员克隆 Sr8155B1基因，其可抗 Ug99 小种，助力小麦育种。

　　# 小麦茎锈病研究新突破：Sr₈₁₅₅B₁基因的发现与应用
在广袤的麦田里，一场无声的战争正悄然上演。小麦茎锈病，这个由真菌病原菌禾柄锈菌小麦专化型（Puccinia graminis f. sp. tritici，简称 Pgt）引发的 “杀手”，严重威胁着全球小麦的产量和质量。近年来，Pgt 的新毒性小种不断涌现，其中 Ug99 小种尤为猖獗，已在至少 13 个国家发现了 15 个变种，其变种 TTKTT 更是在尼泊尔现身，对东亚地区的小麦生产构成巨大挑战。

面对如此严峻的形势，寻找有效的小麦茎锈病抗性基因迫在眉睫。目前，虽然已从四倍体小麦中发现了多个茎锈病抗性（Sr）基因，但成功克隆的却寥寥无几。在这样的背景下，来自北京大学现代农业研究院、中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构的研究人员，踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在《Plant Communications》上，为小麦抗病育种带来了新的希望。

研究人员开展了一系列研究工作，运用了多种关键技术方法。在基因定位方面，利用分子标记筛选大量 F₂植株，确定基因所在区间；借助 PacBio Revio HiFi 长读长测序技术进行全基因组测序，构建物理图谱。为验证基因功能，采用了化学诱变剂甲基磺酸乙酯（EMS）诱变、CRISPR/Cas9 基因编辑技术以及转基因互补实验等。同时，通过 qRT-PCR 技术检测基因转录水平，探究基因在应对病原菌感染时的表达变化。

研究结果

1. 病原菌生长差异：研究人员用荧光染料 WGA - FITC 对 Pgt 病原菌进行染色，观察其在四倍体亲本系 8155 - B1 和感病亲本 Rusty 中的生长情况。结果发现，在感病亲本 Rusty 中，病原菌菌丝呈扩散状生长；而在抗病亲本 8155 - B1 中，病原菌生长受到明显限制，从接种后 2 天到 6 天，Pgt 感染面积无显著变化。这表明 8155 - B1 对 Pgt 具有较强的抗性。
2. 基因定位与候选基因筛选：研究人员通过筛选 4600 株 8155 - B1×Rusty 杂交产生的 F₂植株，利用侧翼标记和新开发的 PCR 标记，将 Sr₈₁₅₅B₁基因定位到一个 0.03 cM 的遗传区间，该区间对应 Svevo 参考基因组中的一个 295 - kb 区域，包含 6 个高可信度注释基因。经过功能注释、基因表达分析和序列比对，确定其中一个典型的核苷酸结合富含亮氨酸重复（NLR）基因 CNL1 为最有潜力的 Sr₈₁₅₅B₁候选基因。
3. 基因功能验证：利用 EMS 诱变 8155 - B1 获得突变体 m27，该突变体对 Pgt 小种 34MKGQM 表现出感病性。对 CNL1 基因测序发现，m27 中存在一个核苷酸转换（C1555T），导致提前终止密码子的出现（Q519*）。同时，运用 CRISPR/Cas9 技术敲除 8155 - B1 中的 CNL1 基因，获得的纯合敲除植株对 Pgt 小种 34MKGQM 也表现出感病性，而野生型 8155 - B1 则表现为抗病。这充分证明了 CNL1 是 Sr₈₁₅₅B₁介导的对 Pgt 抗性所必需的基因。
4. 基因的充分性验证：研究人员将包含 CNL1 完整编码区、内含子和天然调控序列的 9968 - bp 基因组 DNA 片段，通过农杆菌介导转化法导入面包小麦品种 Fielder 中。结果显示，携带该转基因的植株对 Pgt 小种 34MKGQM 和 34C3RKGQM 均表现出强抗性，而未转基因的植株和对照 Fielder 则完全感病。这表明 CNL1 足以赋予小麦对茎锈病的抗性，即 CNL1 就是 Sr₈₁₅₅B₁基因。
5. 基因表达分析：通过 qRT-PCR 检测发现，在接种 Pgt 的 8155 - B1 植株中，Sr₈₁₅₅B₁的转录水平在接种后 1 天、2 天和 3 天显著高于未接种的植株。这说明 Sr₈₁₅₅B₁基因在响应 Pgt 感染时会上调表达。
6. 基因进化与分布分析：进化树分析表明，Sr₈₁₅₅B₁与之前克隆的 R 蛋白不同，序列相似性低于 40%。通过 BLASTp 相似性搜索发现，在多个小麦基因组中，位于 6A 染色体上的 Sr₈₁₅₅B₁同源蛋白相似性大于 96.8%，且多态性主要发生在 LRR 结构域。研究人员还开发了一个显性标记 8155B1F1R1，利用该标记对 316 个小麦基因型进行检测，发现除 8155 - B1 外，其他测试基因型均未检测到预期的 PCR 扩增产物。此外，研究人员还验证了另外 8 个小麦材料中存在 Sr₈₁₅₅B₁基因，并明确了 Sr₈₁₅₅B₁与 Sr8 基因的差异。
7. 基因转移与应用：研究人员将 8155 - B1 与面包小麦品种 Fielder 杂交并回交三次，获得的 BC₃F₂植株中，携带 Sr₈₁₅₅B₁基因的植株对 Pgt 小种 34MKGQM 表现出强抗性，而不含该基因的植株则感病。这表明 Sr₈₁₅₅B₁基因已成功转移到六倍体小麦中，为小麦抗病育种提供了新的基因资源。同时，研究人员还发现，Sr₈₁₅₅B₁的卷曲螺旋（CC）结构域可诱导烟草叶片细胞死亡，而全长蛋白则不会。

研究结论与意义

本研究成功克隆了小麦茎锈病抗性基因 Sr₈₁₅₅B₁，它编码一个典型的 NLR 蛋白，对 Ug99 小种中的多个变种具有抗性。该基因在所有测试的六倍体小麦品种中均不存在，将其导入小麦品种中，有望显著提高面包小麦对茎锈病的抗性，对全球小麦抗病育种具有重要意义。此外，研究人员开发的诊断标记和创建的导入系，为 Sr 基因的多样化部署和加速 Sr₈₁₅₅B₁基因在小麦育种中的应用提供了宝贵资源，有助于推动小麦抗病育种的发展，保障全球粮食安全。

总的来说，这项研究成果为应对小麦茎锈病挑战提供了新的策略和基因资源，为小麦产业的可持续发展注入了新的活力，在未来的小麦育种实践中具有广阔的应用前景。