Nature Biotechnology | 最新研究揭示转多基因赋予小麦对病原真菌的广谱抗性！

由于病原菌毒力的快速进化，培育具有持久抗病原真菌Puccinia graminis f.sp.tritici（Pgt）的小麦是一项挑战，在过去20年中出现了三株新的高毒力分离株（Science | 封面文章！内生真菌基因的水平转移打开小麦抗赤霉病的大门！）。通过引入一个以上的抗性基因可以提高耐久性和广谱抗性，但通过育种将众多不相连的基因结合起来是很费力的，从小麦中克隆了两类Pgt抗性基因：全阶段抗性（ASR）基因和成年植物抗性（APR）基因。ASR基因，Sr45和Sr50通常编码识别结合核苷酸的，富含亮氨酸的重复（NLR）蛋白，一种特定的Pgt分子（效应蛋白），通过真菌引入宿主植物细胞中以促进定殖，从而激活植物防御反应（Nature子刊 | 最新研究揭示小麦赤霉病“罪魁祸首”—禾谷镰刀菌致病新机理！）。真菌效应蛋白的存在、不存在或等位基因变异决定了哪个Pgt分离株对ASR基因有效。ASR基因对于作物保护非常有价值，但是当单独部署时，ASR基因通常会表现出短暂的抗性，因为病原菌效应蛋白会迅速进化以避免识别。结合使用ASR基因可以提高其耐久性，理论估计表明，单个Pgt分离株获得小麦中五个或更多ASR基因的毒力的可能性很小。

第二类基因，即APR基因在某些情况下，对多种病原菌有效，并且可以非常持久。然而，这些基因通常提供部分抗性，在严重的病原菌流行期间往往不足以保护作物。例如，Sr55、Lr67、Yr46或Pm46的基因对Pgt、Pucciniatriticina（Pt，小麦叶锈病菌）、Pucciniastriiformis f.sp.tritici（Pst，小麦条锈病菌）和Blumeria graminis f.sp.tritici（小麦白粉病菌）的所有测试分离株提供部分APR。Sr55编码一个缺陷的己糖转运蛋白，通过未知的机制提供抗性。目前的持久抗性范式认为，多个ASR基因强化的APR基因提供最持久的抗性。

近日，权威期刊Nature Biotechnoogy发表了澳大利亚联邦科学与工业组织（CSIRO）农业与食品研究所（Agricultural and Food）Michael Ayliffe教授团队的研究论文，题为A five-transgene cassette confers broad-spectrum resistance to a fungal rust pathogen in wheat。

本研究通过将5个抗性基因作为一个单一位点引入小麦中，生成多基因Pgt抗性，并表明5个基因中至少有4个是有功能的。这些小麦品系对来自世界各地的侵袭性和高毒性的Pgt分离株具有抗性，并在田间表现出非常高的抗性。这个多基因位点的简单单基因遗传大大简化了其在育种中的应用。然而，一个新的Pgt分离株对该位点上的多个基因具有毒力，这表明抗性基因将需要战略部署以保持其有效性。

图1：生成含有多转基因抗性基因的转基因小麦系

图2：多转基因系对Pgt的抗性很强，但没有证据表明存在多效性作用

图3：多转基因系中抗性基因的表达和功能

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