摘要：研究对象：Watkins核心群体（300个小麦地方品种）和10个对照品种。接种菌株：Z. tritici菌株IPO323（对Stb6无毒）和IPO88004（对Stb15无毒）。表型数据：在5或6个时间点记录叶片损伤（坏死和褪绿）和分生孢子器覆盖率，并计算病程

小麦条斑病（Septoria tritici blotch，STB）是由子囊菌门真菌小麦叶枯病菌（Zymoseptoria tritici）引起的，是全球范围内最具破坏性的面包小麦（Triticum aestivum）病害之一，也是杀菌剂应用的主要目标。与该真菌的顶体生活方式一致，迄今为止分离出的STB抗性基因编码受体样激酶（RLKs），包括壁相关激酶（Stb6）和富含半胱氨酸的激酶（Stb16q）。

英国John Innes Centre的James K. M. Brown✉和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的Brande B. H. Wulff✉团队在Nature Plants杂志发表题为“Septoria tritici blotch resistance gene Stb15 encodes a lectin receptor-like kinase”的论文，揭示了Stb15基因编码一个无内含子的G型凝集素RLK，并证实了其在小麦中赋予对Z. tritici的抗性。Stb15的鉴定突显了RLKs在小麦抗Z. tritici中的多样性。

主要研究结果介绍

1. 全基因组关联分析（GWAS）定位Stb15基因

研究人员利用一个包含300个全基因组鸟枪法测序的小麦地方品种（WatSeq联盟）的多样性群体，进行了全基因组关联分析（GWAS），以鉴定Stb15抗性基因。

材料和方法：

研究对象：Watkins核心群体（300个小麦地方品种）和10个对照品种。

接种菌株：Z. tritici菌株IPO323（对Stb6无毒）和IPO88004（对Stb15无毒）。

表型数据：在5或6个时间点记录叶片损伤（坏死和褪绿）和分生孢子器覆盖率，并计算病程曲线下面积（AUDPC）。

基因型数据：将小麦品种和地方品种的全基因组鸟枪法测序数据生成的单核苷酸多态性（SNP）矩阵映射到中国春小麦基因组，并用于GWAS。

结果：

通过该方法进行定位的阳性对照，Stb6被成功地限制在核心Watkins群体中的一个离散基因组区间内（图1）。

在6AS染色体上鉴定到一个99.1 kb的区域，其中包含6个Stb15抗性基因的候选基因（图1c）。

2. 突变和转基因验证Stb15基因

通过比较ArinaLrFor（具有Stb15抗性表型）和中国春（不具有Stb15抗性表型）的基因序列，并结合单倍型与地方品种对IPO88004反应的相关性，排除了其中五个基因。剩余的基因TraesCS6A02G078700（中国春）/TraesARI6A03G03215890（ArinaLrFor）被预测编码一个RLK，并且与对IPO88004的专化抗性密切相关，但不与对IPO323的Stb6抗性相关，因此被选为最有可能的Stb15候选基因。

突变分析：

在Arina的EMS诱变突变体群体中筛选了3308株植物，鉴定出3个独立的对IPO88004敏感的突变体。

这三个突变体在Stb15候选基因的开放阅读框中都有一个非同义转换突变（图2a, b）。

该基因编码一个G型LecRK，具有一个胞内丝氨酸/苏氨酸受体样蛋白激酶和三个胞外结构域：一个甘露糖特异性球型凝集素（BTL）、一个S-位点糖蛋白（SLG）和一个纤溶酶原/苹果/线虫（PAN）结构域。

所有三个诱导突变导致BTL和激酶结构域中较大的氨基酸被替换。

在AlphaFold模型中，所有三个残基都位于预测会导致蛋白质结构破坏的位置（图2c）。

转基因验证：

合成了包含来自Arina的2 kb 5'和1.5 kb 3'调控序列的10.9 kb基因组序列，将其插入到二元载体中，并转化小麦品种Fielder（对IPO88004敏感）。

获得了两个独立的纯合单拷贝T2转基因株系，它们对Stb15无毒菌株IPO88004表现出抗性，但对Stb15有毒菌株IPO92006不表现出抗性，而它们各自的无效株系对两种菌株都敏感（图2d）。

3. Stb15基因的地理分布和种内/种间结构多样性

地理分布：

Stb15的功能性ArinaLrFor等位基因存在于Watkins核心300个群体的地理和遗传多样性中，尽管它仅出现在15%的地方品种中（图3a）。

它通常与Stb6一起存在，后者更常见（78%）。

14%的地方品种对Z. tritici表现出抗性，这不能用任何一个基因解释。

在用KASP标记测试的欧洲品种中，Stb15也存在于35%的品种中。

种内/种间结构多样性：

在16个禾本科物种中，有48个蛋白质与Arina/ArinaLrFor Stb15蛋白具有同源性（图3c）。

编码蛋白质序列的同源基因在小麦族内的6号染色体上是保守的，但也存在于其他染色体上，特别是3、4和7号染色体。

在禾本科中，包括在T. aestivum中，检测到与Stb15具有同源性的蛋白质的基因注释中的内含子/外显子结构多样性（图3c）。

Stb15的功能等位基因是无内含子的，而在没有Stb15表型的中国春品种中，该基因有四个内含子。

在小麦族（Triticum, Aegilops和Hordeum）内外的22个同源蛋白质的基因注释中也观察到无内含子的基因结构。

Stb15与中国春6D和Aegilops bicornis 6S同源物最接近，表明Stb15的功能等位基因可能起源于D或S基因组，它们具有高度的序列同源性。

在内部Stb15进化枝中，激酶和PAN结构域高度保守，而跨越BTL和SLG结构域的区域是可变的（图3d）。这表明该区域可能受到多样化选择。

全文总结与展望

本研究通过GWAS、突变分析和转基因验证，成功克隆了小麦STB抗性基因Stb15，并证实其编码一个G型凝集素RLK。Stb15的鉴定突显了RLKs在小麦抗Z. tritici中的多样性，为深入理解小麦-Z. tritici互作的分子机制提供了新的视角。

科学意义：

揭示了小麦中一种新的STB抗性基因，丰富了对小麦抗病基因多样性的认识。

为深入理解小麦-Z. tritici互作的分子机制提供了新的靶点。

证明了GWAS在加速分子水平上难以理解的性状的基因克隆方面的强大能力。

潜在应用：

为培育具有持久抗STB能力的小麦新品种提供了新的基因资源。

为开发基于Stb15基因的分子标记辅助选择育种技术提供了基础。

未来研究方向：

深入研究Stb15基因的作用机制，包括其识别的病原体相关分子模式（PAMP）或效应子。

探索Stb15基因与其他抗病基因的互作，以实现抗性的持久性和广谱性。

评估Stb15基因在不同遗传背景和环境条件下的抗病效果。

研究团队与资助

该研究由英国John Innes Centre的James K. M. Brown✉和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的Brande B. H. Wulff✉团队领导，第一作者为Amber N. Hafeez。其他作者包括Laetitia Chartrain, Cong Feng (奉聪), Florence Cambon, Martha Clarke, Simon Griffiths, Sadiye Hayta, Mei Jiang (蒋梅), Beat Keller, Rachel Kirby, Markus C. Kolodziej, Oliver R. Powell, Mark A. Smedley, Burkhard Steuernagel, Wenfei Xian (冼文飞), Luzie U. Wingen, Shifeng Cheng (程时锋), Cyrille Saintenac。

该研究得到了英国生物技术和生物科学研究委员会（BBSRC）、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学、中国国家重点研发计划、欧盟Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie项目和瑞士国家科学基金会的资助。

DOI链接

小麦族多组学网站：

投稿、合作等邮箱：shengweima@icloud.com

来源：新浪财经