IJMS:全基因組水平解析小麥抗葉銹病Lr47基因轉錄調控網絡

2020-12-04 中國小麥研究聯盟

由小麥葉鏽菌（Puccinia triticina，Pt）引起的小麥葉銹病，是影響全球小麥生產的重要真菌病害。該病害造成的產量損失從7%到20%不等，而流行年份可高達50%。合理利用小麥抗葉銹病（Lr）基因仍是防治該病害最為有效的途徑。目前已鑑定出的70多個Lr基因中，來自斯貝爾圖山羊草（Aegilops speltoides）的Lr47基因被初步定位於普通小麥7號染色體的短臂。攜帶Lr47基因的小麥品種對我國全部葉鏽菌生理小種均表現出較高抗性水平。然而，該基因在我國小麥育種中尚未得到廣泛應用，基因克隆工作仍在進行，其轉錄調控網絡同樣亟待明確。

本研究以三個攜帶Lr47基因的普通小麥材料「Lr47-Yecora Rojo-BC6F5」、「Lr47-UC1037」、「Lr47-WhiteYecora」為實驗組，以感病小麥材料「Thatcher」為對照組，分別接種我國小麥葉鏽菌主要流行生理小種THTT，接種8天後在對照組中觀察到大量葉鏽菌夏孢子堆形成，而所有攜帶Lr47基因的小麥材料均表現出高抗表型。

進一步，對上述小麥材料「Lr47-Yecora Rojo-BC6F5」、「Lr47-UC1037」、「Lr47-White Yecora」苗期第三葉接種小麥葉鏽菌THTT，以「Lr47-Yecora Rojo-BC6F5」接水處理為對照，接種3天後分別提取RNA樣品。每種材料設置三個生物學重複，共12個樣品進行12-Gb轉錄組測序。以中國春TGACv1參考基因組進行拼接，總共預測到128,794個轉錄本（原始數據近期將上傳至NCBI BioProject PRJNA498364）。

通過比較「Lr47-Yecora Rojo-BC6F5」材料的接菌處理與接水對照，發現863個基因顯著上調(q-value < 0.05, log2FoldChange > 1)，418個基因顯著下調(qvalue < 0.05, log2foldchange < -1)。對差異表達基因進行KEGG注釋，發現「植物-病原菌互作」途徑中，Ca2+通道基因(CNGCs、CDPK、Rboh、CaM)、FLS2、RPM1、PR1及HSP90等多個基因富集明顯。

此外，在所有上調基因中，有28個基因位於7AS、7BS、7DS染色體上，其中又包括8個基因編碼不同類型的受體激酶蛋白（RLKs）。

利用螢光實時定量qRT-PCR技術，我們進一步測定了上述8個RLK基因在Lr47基因介導小麥抗葉銹病過程中的時間表達譜。

此外，為了明確Lr47介導的抗病反應的下遊基因及轉錄調控網絡，我們還分析了所有PR基因及多個轉錄因子基因家族（WRKY、ERF、MYB、bHLH、bZIP、NAC）在轉錄組文庫中的表達模式。

本研究從全基因組水平，初步明確了Lr47基因介導的小麥抗葉銹病過程中的轉錄調控網絡，挖掘得到的差異表達基因為小麥抗葉銹病遺傳改良提供了新思路，轉錄組本身可為該基因的克隆工作提供重要數據支持。

河北農業大學碩士研究生吳嬌嬌、高靜、畢偉帥為該論文的共同第一作者，河北農業大學王逍冬副教授、中國農業科學院劉博老師為通訊作者。該論文於2019年9月11日發表於International Journal of Molecular Sciences，原文連結https://www.mdpi.com/1422-0067/20/18/4498。

特別感謝加州大學戴維斯分校Jorge Dubcovsky教授提供的Lr47基因相關小麥材料，該研究得到了國家重點研發計劃、河北省高等學校青年拔尖人才項目、國家自然科學基金等項目的資助。

參考文獻

Wu J, Gao J, Bi W, et al. Genome-Wide Expression Profiling of Genes Associated with the Lr47-Mediated Wheat Resistance to Leaf Rust (Puccinia triticina). International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20: 4498.Helguera M, Khan I A, Dubcovsky J. Development of PCR markers for the wheat leaf rust resistance gene Lr47. Theoretical and Applied Genetics, 2000, 100(7): 1137-1143.Wang X, Bi W, Gao J, et al. Systemic acquired resistance, NPR1, and pathogenesis-related genes in wheat and barley. Journal of integrative agriculture, 2018, 17(11): 2468-2477.Li Z, Xia X, He Z, et al. Seedling and slow rusting resistance to leaf rust in Chinese wheat cultivars. Plant Disease, 2010, 94(1): 45-53.

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