農(nóng)學(xué)院丨馬正強教授團隊為小麥赤霉病抗性研究排除迷惑選項

1月15日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)馬正強教授團隊在Nature Genetics上發(fā)表題為“Mutagenesis and analysis of contrasting wheat lines do not support a role for PFT in Fusarium head blight resistance”的研究論文。該研究利用翔實的實驗數(shù)據(jù)證明在抗赤霉病位點Fhb1，富組氨酸鈣結(jié)合蛋白編碼基因His^R基因決定了對小麥赤霉病的抗性，而孔形成毒素蛋白基因PFT在其中不起作用。

赤霉?。?/span>FHB）是全球小麥生產(chǎn)上流行的毀滅性病害。Fhb1是迄今為止發(fā)現(xiàn)的抗赤霉病效應(yīng)最強、表達最穩(wěn)定，且應(yīng)用最廣泛的關(guān)鍵基因。2016年Rawat等人研究認為PFT是Fhb1位點的候選基因。但后續(xù)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)馬正強教授團隊和美國堪薩斯州立大學(xué)柏貴華教授團隊的研究確定位于PFT基因附近約50kb的His^R（TaHRC）基因才是Fhb1的功能基因。由于缺乏僅攜帶His^R而不含PFT的重組體和單倍型，這兩項研究雖證明PFT無法單獨賦予赤霉病抗性，但不能排除His^R和PFT可能共同作用增強小麥赤霉病抗性的可能。

為了進一步闡明Fhb1位點抗赤霉病的機制，該研究團隊在前期克隆His^R的基礎(chǔ)上，利用11個攜帶不同His^R轉(zhuǎn)基因事件的株系和Fhb1近等基因系，在12個遺傳背景中創(chuàng)制了109個攜帶His^R和PFT不同等位基因的導(dǎo)入系，并進行抗赤霉病鑒定。他們發(fā)現(xiàn)，無論是攜帶His^R的近等基因系還是攜帶His^R轉(zhuǎn)基因的導(dǎo)入系，赤霉病抗性都顯著增強，且與His^R的來源無關(guān)。該團隊進一步比較了四個遺傳背景中攜帶和不攜帶PFT的His^R導(dǎo)入系的赤霉病抗性，結(jié)果表明所有His^R導(dǎo)入系的赤霉病抗性都不受PFT存在與否的影響（圖1a,b）。根據(jù)PFT和His^R的有無進行所有遺傳背景的合并比較，也得出相同結(jié)論（圖1c）。

圖1 不同遺傳背景下攜帶和不攜帶His^R和PFT對赤霉病抗性的影響

此外，該團隊利用CRISPR–Cas9技術(shù)在Fhb1近等基因系中創(chuàng)制了3個PFT提前終止，2個氨基酸缺失的突變體（圖2a）。田間和溫室的抗性鑒定結(jié)果表明，所有PFT突變體與Fhb1近等基因系、編輯陰性對照VW109的抗性水平一致，都表現(xiàn)為抗病（圖2b,c），進一步證明PFT不能顯著影響赤霉病抗性。此外，PFT突變對株高、開花和穗形態(tài)等農(nóng)藝性狀沒有影響。雖然有報道認為赤霉病抗性程度與株高、開花期和穗部形態(tài)等農(nóng)藝性狀相關(guān)，但他們也未發(fā)現(xiàn)PFT對這些農(nóng)藝性狀的影響。

圖2 MY背景Fhb1近等基因系R-7中的PFT編輯及其對赤霉病抗性的影響

該研究不僅對解析Fhb1位點抗赤霉病的機制十分重要，也為在小麥抗赤霉病分子育種中準(zhǔn)確、高效利用Fhb1提供了重要的指導(dǎo)。PFT和His基因在物理位置上接近，但是由于許多攜帶PFT的小麥種質(zhì)并不攜帶His^R，他們建議在分子標(biāo)記輔助選擇中應(yīng)謹慎使用PFT功能標(biāo)記，以避免誤導(dǎo)。該研究受國家自然科學(xué)基金（31930081）、國家重點研發(fā)計劃（2023YFD1200400）、江蘇省重點研發(fā)計劃（BE2021356）、江蘇省種業(yè)振興“JBGS”項目（JBGS2021013和JBGS2021046）以及江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新計劃的部分支持。