Группа исследователей определила два новых генетических механизма устойчивости пшеницы к болезням, предложив многообещающие стратегии повышения устойчивости к мучнистой росе и полосатой ржавчине. Открытия были опубликованы в статьях в журнале Nature Genetics.
Под руководством профессора Лю Чжиюна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук учёные выяснили, что локусы устойчивости к мучнистой росе MlIW170 (также известный как Pm26) и к полосатой ржавчине YrTD121 управляются не одиночными генами, а парами генов, кодирующими иммунные рецепторы с нуклеотид-связывающими лейцин-богатыми повторами (NLR). Оба локуса происходят из дикой эммера (Triticum dicoccoides).
Новые механизмы устойчивости
Эти пары генов представляют собой нетипичную архитектуру в иммунитете растений и дают новое понимание эволюции и функционирования механизмов устойчивости к болезням у сельскохозяйственных культур.
В исследовании мучнистой росы учёные использовали картирование и секвенирование PacBio HiFi для идентификации TdCNL1 и TdCNL5 — генетически связанной пары генов NLR, ответственных за устойчивость, обеспечиваемую локусом Pm26.
* TdCNL1 кодирует белок NLR с интегрированным доменом калиевозависимого обмена натрия и кальция (NCKX).
* TdCNL5 кодирует канонический белок с альфа-спиральной структурой (CNL).
Функциональные анализы, включая мутагенез и вирусное индуцированное молчание генов, подтвердили, что оба гена необходимы для устойчивости. Примечательно, что трансгенные линии пшеницы, экспрессирующие оба гена или только TdCNL1, были устойчивы, тогда как линии, экспрессирующие только TdCNL5, оставались восприимчивыми.
Аналогично, в исследовании полосатой ржавчины команда выявила ориентированную навстречу друг другу пару генов TdNLR1 и TdNLR2, лежащую в основе локуса устойчивости к болезням YrTD121. TdNLR1 кодирует канонический белок NLR, в то время как TdNLR2 лишён типичного альфа-спирального домена.
Несмотря на структурные различия, оба гена оказались незаменимыми для устойчивости, что было продемонстрировано с помощью мутагенеза, молчания генов, редактирования CRISPR и трансгенных экспериментов.
Интересно, что ни один из генов не содержит встроенных эффекторных доменов распознавания, что предполагает отличную и ранее не охарактеризованную конфигурацию NLR. Более того, было показано, что альфа-спиральный домен TdNLR1 самоассоциируется и вызывает гибель клеток в растении — признак активации иммунитета.
Дикая эммера и устойчивость пшеницы
Дикая эммера, предок современной хлебной пшеницы, накопила богатое генетическое разнообразие в результате долгосрочной адаптации к сложным условиям окружающей среды. Однако локусы MlIW170/Pm26 и YrTD121 из дикой эммеры встречаются только в нескольких популяциях и не были частью одомашнивания или эволюции хлебной пшеницы.
Исследователи разработали высокоурожайные, устойчивые к болезням зародышевые плазмы с MlIW170/Pm26 и YrTD121 путём скрещивания дикой эммеры с высокоурожайными сортами хлебной пшеницы и проведения непрерывного возвратного скрещивания с маркерно-ассистированным отбором.
Эти результаты предлагают важные ресурсы генов устойчивости к болезням и теоретическую основу для выведения сортов пшеницы, устойчивых к широкому спектру болезней.
Предоставлено:
Китайская академия наук.