齐鲁网·闪电新闻7月20日讯 北京时间7月20日，山东农业大学付道林教授领衔的小麦生物育种团队在国际著名学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表重要科研成果。团队研发了快速基因克隆技术体系——性状关联突变体测序技术（STAM），在小麦中克隆到一个新型抗条锈病基因（YrNAM），对小麦—条锈菌互作加深了认识，为小麦抗病机理研究、生物育种和种质创新提供了重要的基因资源及技术支撑。
文章截图
小麦条锈病是世界范围内严重危害小麦生产的重要流行性病害，严重流行年份可导致小麦减产40%以上，甚至绝收，对国家粮食安全构成严重威胁。小麦条锈菌可随高空气流传播，流行速度快、发生区域广，其有效防控是世界性难题。同时，当前小麦育种中存在品种同质化高、条锈病抗源匮乏单一等突出问题。因此，克隆新的抗病基因，选育和推广利用抗条锈病小麦品种，是降低条锈病危害最绿色安全、最经济有效的措施。
然而，由于小麦基因组庞大、基因复杂，长期以来开展小麦关键基因的克隆非常困难。在小麦抗条锈病基因研究领域，目前国际上仅有不足十个基因得以成功克隆，其中多数为包含核苷酸结合结构域和亮氨酸富集重复区（NBS-LRR）的类受体蛋白基因。
YrNAM基因结构
YrNAM转基因功能鉴定
为解决小麦抗条锈病基因缺乏、基因克隆困难等突出问题，付道林教授科研团队建立了快速基因克隆技术体系——性状关联突变体测序技术（STAM），以提高小麦基因克隆的工作效率。付道林介绍，该技术不需要构建遗传图谱，无需获得亲本材料的参考基因组，可实现小麦目标基因的快速克隆，并且经济有效。性状关联突变体测序技术克服了传统图位克隆策略对精细遗传作图的依赖性，弥补了近年来基于突变体及组学技术开发的MutChromSeq、MutRenSeq、MutRNA-Seq等技术的特定缺陷。团队研发的性状关联突变体测序技术与2023年5月《自然·遗传学》（Nature Genetics）杂志报道的MutIsoSeq技术原理类似，两项独立研究的成功，表明该技术具有重要的应用价值。
论文共同通讯作者、农学院吴佳洁教授介绍，本研究利用性状关联突变体测序技术，以上世纪60年代美国小麦品种Moro的衍生系为材料克隆到一个抗条锈病基因YrNAM。该基因与已报道抗病基因存在明显不同，其编码蛋白携带无顶端分生组织NAM（No Apical Meristem）结构域及锌指BED结构域，是一类新型抗病蛋白。将YrNAM基因导入感条锈病品种Fielder及CB037，可显著提高小麦条锈病抗性。
农学院吴佳洁教授在田间开展科研
付道林团队研究人员还发现，高大山羊草和沙融山羊草存在YrNAM同源基因，与YrNAM蛋白序列相似性达78%。因此，推测YrNAM起源于小麦与山羊草分化前的共同祖先种。然而，在对六百余份小麦品种的检测中，未发现携带YrNAM的品种。因此，YrNAM基因未被育种家广泛应用于小麦育种。科研人员推断，这很可能与YrNAM附近存在小麦育种中不受欢迎的棕色颖壳基因Rg1有关。YrNAM的克隆，为分子标记辅助选择及生物育种应用创造了条件。
论文第一作者、农学院倪飞副教授介绍，YrNAM很可能代表已命名基因Yr10。虽然加拿大有科研团队曾于2002年报道了Yr10（Genbank登录号AF149112），然而，有关AF149112基因的来历未见详细说明，AF149112是否代表Yr10存在疑问。付道林团队自2010年开始，对Yr10基因开展了重新定位，发现AF149112与Yr10并非同一位点，并于2018年发表在《理论与应用遗传学》（Theoretical and Applied Genetics）杂志。本研究进一步在Yr10基因区域分离到一个抗条锈病基因YrNAM，该基因与AF149112基因相距大约1 Mb。然而，由于本研究所使用的条锈菌生理小种与前人不同，尚不能定论YrNAM即为Yr10。本研究表明，YrNAM对多个条锈菌生理小种仍然具有高水平抗性，由于还未被广泛应用于小麦育种，在生产中仍具有潜在的利用价值。
据了解，付道林教授曾在2009年克隆了国际上首例小麦抗条锈病基因Yr36，研究成果在《科学》（Science）杂志发表。2010年回国后带领山东农业大学小麦科研团队相继完成了我国“国宝基因”——小麦太谷核不育基因Ms2、国内首例小麦抗条锈病基因Yr28以及多个大麦核不育基因的图位克隆。此次新型抗病基因YrNAM的克隆，是付道林团队近年来取得的又一项重要成果。
付道林团队研究人员合影
付道林教授和吴佳洁教授为该论文的通讯作者，倪飞副教授为第一作者。加州大学戴维斯分校Lynn Epstein教授对论文写作提供了重要帮助。该研究得到了匈牙利谷类作物研究公司Purnhauser Laszlo教授、西北农林科技大学韩德俊教授和曾庆东教授、中国农业科学院植保所蔺瑞明研究员、河南省漯河农科院赵永涛研究员、山东农业大学王洪刚教授等帮助；获得国家转基因重大专项、山东省自然科学基金重大基础研究等项目的资助。
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