基因发现方法能否阻止全球小麦稻瘟病的蔓延

由JohnInnes中心领导的一项国际研究合作使用了创新的基因组发现方法来展示我们如何阻止被称为麦瘟病的新兴且具有高度破坏性的疾病。

在实验中，研究人员发现了两个基因，它们可以保护实验小麦植株免受真菌病原体Magnaportheoryzae的侵害，这种病原体会引起稻瘟病。

为了做出这一发现，该团队使用了一种称为AgRenSeq的技术，该技术使他们能够在一组称为WatkinsCollection的传统小麦品种中搜索有用的基因。他们还在小麦的野草近缘种中进行了搜索。

WatkinsCollection是1930年代从世界各地收集的，由300多个小麦品系或地方品种组成，这些小麦品系或地方品种含有集约育种前小麦中存在的抗病多样性。这些当地种植的作物以及小麦的野草近缘种已成为研究人员寻找保护现代作物免受新发疾病侵害的基因的重要资源。

JohnInnes中心的组长PaulNicholson教授说：“我们在威胁全球粮食安全的新兴疾病方面取得了重要发现，并在此过程中突显了WatkinsCollection和AgRenSeq基因组工具包的力量。现在我们的作用是与(全球研究非营利组织)CIMMYT等组织互动，提供有关其他抗性基因的信息，并使他们能够确保他们的育种材料包含这些基因，从而保护它们免受瘟疫的侵害。”

为了识别抗性基因，研究人员用经过特殊改良的瘟病原体分离株测试了沃特金斯收集的幼苗和穗状花序，以确定哪些植物对这种真菌具有抗性，哪些植物易感。

然后，他们使用AgRenSeq，这是由JohnInnes中心的小组组长SanuArora博士开发的基因发现技术，用于识别在抗性植物中显示基因活性的基因组部分。

这导致鉴定了抗性基因候选物Rwt3，它通过调节NLR基因来保护小麦。在植物中，NLR基因通过编码检测病原体效应分子并触发保护性反应的防御蛋白来运作，就像抗体保护人类免受感染一样。

发现的另一个基因Rwt4是另一种称为串联激酶的防御分子。在现代面包小麦的野草祖先Aegilopstauschii的集合中也发现了该基因。

使用失去这些抗性基因功能的小麦植物进行的温室实验表明，它们对小麦稻瘟病分离物易感，证实Rwt3和Rwt4保护植物免受稻瘟病侵害。

这项发表在《自然植物》杂志上的研究还表明，一种称为Pm24的Rwt4版本也可以保护植物免受另一种重要的小麦病害白粉病的侵害。

研究小组说，该方法具有足够的适应性，可以找到对病原体特定地理菌株做出反应的抗性基因。它为我们如何通过识别传统品种或野生近缘种中的抗性基因并确保这些疾病的遗传障碍存在于优良品种中来应对新出现的作物疾病提供了概念证明。

该合作包括来自日本和沙特阿拉伯的团体，现在计划通过提供遗传标记将这些信息提供给CIMMYT。这使育种者能够在他们的收集品中快速识别这些基因，并确保他们将它们包含在培育抗稻瘟病小麦品种中。

该研究的第一作者SanuArora博士说：“南美、南亚和非洲小麦种植带的麦瘟病的灾难性影响给欧洲敲响了警钟。我们不确定这种疾病是否已经出现在地平线上欧洲，但这种疾病可能通过人口迁移或种子进口传播，因此，保护​​这种重要作物免受迫在眉睫的威胁至关重要。”

约翰英尼斯中心知识交流和商业化负责人乔纳森克拉克博士说：“这是国际合作的一个很好的例子，它为联合国的可持续发展目标做出了贡献，因为全球植物健康对于实现食品可持续性非常重要。”

“一种小麦激酶和免疫受体形成了针对稻瘟病菌的宿主特异性屏障，”发表在《自然植物》杂志上。

小麦稻瘟病：简史

自1985年首次报道以来，小麦瘟病已在三大洲造成破坏，现在被视为对全球小麦安全的主要威胁。因此，针对这种病原体的抗性基因的发现和部署对于减轻这种威胁至关重要。

由于黑麦草的“寄主跳跃”，1985年首次在巴西发现小麦瘟病是由真菌病原体稻瘟病菌引起的。此后，这种病原体在包括玻利维亚和巴拉圭在内的巴西邻国引发了流行病，据报道赞比亚、印度和孟加拉国爆发了进一步的疫情。

最近的研究表明，宿主跳跃的发生是由于两种真菌病原体的杂交重组。寻找抗性基因迫在眉睫，因为育种者尚未选择现代小麦品种以将稻瘟病抗性基因纳入他们的计划。

小麦Rwt3和Rwt4中的抗性基因之所以起作用，是因为它们识别病原体基因PWT3和PWT4，从而防止感染。有人提出，巴西流行病的发生是由于广泛种植缺乏Rwt3的小麦，使它们易受黑麦草病原体的影响。

黑麦草致病型也与美国小麦稻瘟病的爆发有关。这强调了在小麦品种中维持Rwt3和Rwt4以防止未来宿主跳跃的重要性。