遗传发育所沈前华与江苏大学何华纲团队合作揭示和利用野生近缘种NLR基因对大麦、小麦白粉病的广谱抗性

摘要：小麦、大麦等重要粮食作物长期遭受白粉病等真菌病害的严重威胁，目前在麦类作物中广泛应用的抗病基因多数编码胞内NLR免疫受体，大多介导病原小种专化性抗性，而病原菌的快速变异往往导致此类抗性的丧失。利用麦类野生近缘种中的广谱抗病基因资源是解决麦类生产中抗性丧失的重要

小麦、大麦等重要粮食作物长期遭受白粉病等真菌病害的严重威胁，目前在麦类作物中广泛应用的抗病基因多数编码胞内NLR免疫受体，大多介导病原小种专化性抗性，而病原菌的快速变异往往导致此类抗性的丧失。利用麦类野生近缘种中的广谱抗病基因资源是解决麦类生产中抗性丧失的重要途径。簇毛麦基因组的Pm21抗病位点的多个等位基因都编码典型的NLR免疫受体，其中Pm21基因在国内小麦品种中广泛应用且保持白粉病广谱抗性近40年，充分利用Pm21基因资源并阐明其广谱抗病机制具有重要应用价值和理论意义。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所育种前沿技术实验室沈前华团队与江苏大学何华纲团队联合在植物生物技术领域国际知名期刊《Plant Biotechnology Journal》在线发表了题为“An NLR receptor confers broad-spectrum resistance to diversified powdery mildew sublineages in wheat and barley”的研究论文。该研究通过转基因方式将来自簇毛麦的Pm21等位基因导入大麦和小麦，转基因株系对检测的大麦和小麦白粉菌两种专化型的所有生理小种均表现为广谱抗性，且主要农艺性状未受显著影响，为麦类作物抗病育种提供了新的基因资源，拓展了广谱抗性研究新思路。

研究团队从簇毛麦种质W619414中成功分离出Pm21-B1基因，通过大麦和小麦单细胞瞬时过表达和本氏烟表达体系验证其抗病和细胞死亡的功能。实验表明，Pm21-B1在小麦和大麦细胞中能显著抑制白粉菌吸器形成，Pm21-B1与Pm21的CC结构域在烟草细胞中均能够诱导细胞死亡，但与Pm21不同的是，Pm21-B1的CC-NB片段也能够诱导强烈的细胞死亡。进一步通过构建稳定过表达Pm21-B1的转基因小麦和大麦株系，分别测试了103个小麦白粉菌和70个大麦白粉菌的生理小种，转基因株系均表现为完全免疫。转基因株系受白粉菌诱导后活性氧（ROS）爆发、病程相关蛋白基因表达上调和细胞死亡等免疫反应。转录组分析鉴定到转基因小麦和大麦中表达显著上调的免疫相关同源基因，涉及到类受体激酶、钙信号及ROS代谢通路等，并暗示水杨酸与茉莉酸信号通路交叉参与免疫调控。农艺性状评估显示，除个别转基因大麦株系的株高稍有降低外，其余转基因小麦和大麦株系在株高、有效分蘖数、穗粒数、千粒重及单株产量等性状未检测到显著改变。该研究首次证实NLR免疫受体Pm21-B1能在不同的麦类作物中保持对不同专化型白粉菌的广谱抗性功能，为挖掘利用麦类近缘种的抗病基因资源以及研究广谱抗性提供了新思路。

中科院遗传与发育所范仁春博士为第一作者，沈前华研究员和江苏大学何华纲教授为共同通讯作者。湖北农科院植保土肥研究所杨立军和龚双军研究员、中国农科院

植保所蔺瑞明研究员、中科院上海生理生态所王亚军研究员、西湖大学柴继杰教授以及德国马普植物育种研究所Paul Schulze-Lefert教授等参与了该研究。中科院遗传与发育所刘志勇研究员和董玲丽副研究员给予了大力帮助。该研究得到了十四五国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委、植物细胞与染色体工程国家重点实验室、江苏省自然科学基金的资助。