中國科學院遺傳發(fā)育所報道重新激活小麥基因組中沉默的抗病基因

　　普通小麥是異源六倍體，經歷了兩次多倍化和馴化后其遺傳多樣性與野生種相比大幅降低，優(yōu)異基因及其等位基因遺傳基礎極其狹窄，限制了現代小麥育種中諸多性狀的遺傳改良。尋找小麥基因發(fā)掘新方法和提高遺傳多樣性的新途徑，對于小麥遺傳改良具有重要意義。普通小麥基因組含有A、B和D三個亞基因組，含有大量的轉座子序列，基因組中存在大量由于轉座子插入、表觀修飾等原因導致的功能基因失活喪失功能，成為隱匿或沉默的基因。通過現代基因工程手段人工重新激活這類隱匿的基因，使其發(fā)揮功能，將豐富小麥基因資源庫，對于培育高產多抗優(yōu)質廣適新品種具有重要意義。

 

　　近日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所植物細胞與染色體工程國家重點實驗室劉志勇團隊和趙玉勝團隊，在Plant Biotechnology Journal（DOI：10.1111/pbi.13903）上，發(fā)表了題為Provoking a silent R gene in wheat genome confers resistance to powdery mildew的研究論文，報道了利用基因工程手段對小麥基因組中一個被轉座子插入而沉默的抗病基因序列進行遺傳操作，激活其在感病小麥品種中的表達，重新賦予其抗白粉病功能，為發(fā)掘利用小麥基因組中大量被沉默和從未被育種利用的優(yōu)異基因，增加小麥遺傳多樣性提出了全新的思路。

 

　　研究團隊前期首次從四倍體野生二粒小麥中克隆到小麥抗白粉病基因Pm41。該基因對我國不同自然生態(tài)區(qū)超過80%的白粉菌生理小種表現免疫或高抗，是具有育種應用價值的優(yōu)異抗病基因資源。單倍型分析顯示，Pm41在野生二粒小麥群體中包含至少7種不同單倍型（Hap1-7），而在硬粒小麥和普通小麥僅存在3種單倍型（Hap2、3和7），顯示該位點存在明顯的遺傳瓶頸?；蛐蛄泻捅磉_分析發(fā)現，Hap2（Pm41b）和Hap4-7單倍型在基因啟動子和UTR區(qū)存在轉座子插入導致基因失活不表達。其中Pm41b具有完整的潛在編碼框，且在硬粒小麥和普通小麥中基因分布頻率高達90%。那么，沉默的Pm41b是否具有抗白粉病功能？研究采用轉基因技術在小麥中互補和過表達Pm41b基因發(fā)現其對小麥白粉病表現出免疫或高抗，說明重新激活沉默的Pm41b基因賦予其抗白粉病功能。此外，未發(fā)現激活這類沉默的基因對高產品種主要農藝性狀和產量有不良影響，表明其可應用于小麥新品種的分子設計。

 

　　該研究為抵抗小麥白粉病提供了新的可應用基因資源，并展示了發(fā)掘作物基因組中隱匿的優(yōu)異功能基因進行高產抗病設計育種的全新策略和潛力。研究工作得到國家自然科學基金、海南崖州種子實驗室、中科院、植物細胞與染色體工程國家重點實驗室的支持。