撰文 | 十一月
小麦条锈病是由真菌病原体条锈菌 （Puccinia striiformis f. sp. Tritici，Pst） 引起，由于对于小麦生产具有毁灭性的打击因而受到广泛关注 【1】 。但小麦基因库中所描述的83个的抗条锈病基因Yr中，只有9个被克隆出来 【2】 ，找到更多的条锈病抗性基因将对小麦生产大有裨益。研究发现1993年发布南非面包小麦品种Kariega表现出高水平的植株条锈病抗性 （图1） 。因此，对Kariega基因组进行长读测序将有助于鉴定和发现更多与条锈病抗性相关的基因。
图1 南非面包小麦品种Kariega具有条锈病抗性
但想要从大型的、复杂的农作物基因组中克隆基因仍然具有很大的挑战性。为此，沙特阿拉伯阿卜杜拉科技大学Simon G. Krattinger研究组与南非CenGen公司Renée Prins研究组合作发文题为Long-read genome sequencing of bread wheat facilitates disease resistance gene cloning，通过高保真长读测序方式、光学定位以及染色提构象捕获技术等，对南非面包小麦Kariega进行了染色体组装，并确定了品种特异性的抗病基因Yr27，为小麦基因组克隆以及抗病新品种的工程化设计奠定了基础。
长读环化测序 （Circular consensus sequencing, CCS） 是最近DNA测序技术的重大突破，利用滚环复制的方式循环测序，使得基因组组装的完整性以及连续性大大提高 【3】 。但面包小麦是多倍体，基因组庞大且充满重复序列，想要进行基因组测序、染色体组装以及基因克隆仍非易事。
Kariega对条锈病的抗性了来源于三个数量性状基因座，包括在染色体臂2BS上的QYr.sgi-2B、在染色体臂4AL上的QYr.sgi-4A以及位于染色体臂7DS上编码ATP-结合盒转运蛋白 （ATP-binding cassette transporter, ABC transporter） 的持久抗条锈病基因Yr18 【4-5】 。为了克隆Kariega品种中更多的条锈病抗性基因，作者们生成了一个基因组从头组装，得到了14.66 Gb的基因组组装长度和30.22 Mb的连续N50长度，与先前的研究相比读取范围提高了130-600倍。另外作者们通过对6个不同组织和亚型的测序支持下对Kariega的基因组组装进行了注释。
为了对Kariega条锈病抗性基因QYr.sgi-2B表型进行研究，作者们在只包含QYr.sgi-2B与的易感病小麦品种Avocet S回交得到Avocet 2B品种，Avocet 2B表现出中等的幼苗条锈病抗性以及较强的成年植株抗性 （图1） 。利用Avocet 2B以及Avocet S的F2群体，作者们绘制了QYr.sgi-2B基因组区域，对应于Kariega基因组组装中10.02 Mb的区域，包含93个候选基因 （图2） 。
图2 QYr.sgi-2B基因组区域
QYr.sgi-2B基因组区域中有两个基因编码富含核苷酸结合亮氨酸富集重复序 （Nucleotide-binding leucine-rich repeat，NLR） 的蛋白，这是与植物免疫相关的胞内受体。为了确定该基因，作者们进行了一个Avocet 2B突变体的筛选，最终预测到该序列的长度是3219bp，编码一个长度为1072个氨基酸的蛋白，N末端包含一个Coiled-coil结构与，中间一个NB-ARC结构与以及C末端的一个亮氨酸富集的重复序列。幼苗中使用条锈病病原体处理会促使QYr.sgi-2B基因表达的显著升高。通过与Yr抗性基因比对，作者们确认QYr.sgi-2B基因是Yr27。Yr27是抗叶锈病基因Lr13的等位基因，而且Yr27和Lr13蛋白具有97%的序列一致性 【6-7】 。
总的来说，该工作通过长读测序的方式对南非面包小麦品种Kariega基因组进行了组装，克服了以往小麦基因组克隆方法的耗时费力的缺陷，并且通过研究克隆出了与小麦条锈病抗性相关的基因Yr27，这是Kariega品种中数量形状和持久性条锈病抗性的组成部分。该研究结果证明了染色体级小麦组合克隆基因的可行性，并证明了单拷贝基因高度相似的等位基因可以对不同的病原菌产生抗性，为今后工程化设计特异性的Yr27等位基因抗病品种提供了基础。
参考文献：
1. Ali, S. et al. Yellow rust epidemics worldwide were caused by pathogen races from divergent genetic lineages. Front. Plant Sci. 8, 1057 (2017).
2. Hafeez, A. N. et al. Creation and judicious application of a wheat resistance gene atlas. Mol. Plant 14, 1053–1070 (2021).
3. Mascher, M. et al. Long-read sequence assembly: a technical evaluation in barley. Plant Cell 33, 1888–1906 (2021).
4. Agenbag, G. M. et al. High-resolution mapping and new marker development for adult plant stripe rust resistance QTL in the wheat cultivar Kariega. Mol. Breed. 34, 2005–2020 (2014)
5. Krattinger, S. G. et al. A putative ABC transporter confers durable resistance to multiple fungal pathogens in wheat. Science 323, 1360–1363 (2009).
6. Hewitt, T. et al. Wheat leaf rust resistance gene Lr13 is a specific Ne2 allele for hybrid necrosis. Mol. Plant 14, 1025–1028 (2021).
7. Yan, X. et al. High-temperature wheat leaf rust resistance gene Lr13 exhibits pleiotropic effects on hybrid necrosis. Mol. Plant 14, 1029–1032 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41588-022-01022-1
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