Forskere afslører naturlig variation i vild emmer hvede for bredspektret sygdomsresistens

Brødhvede er en af ​​de vigtigste basisafgrøder for millioner af mennesker og er tilsyneladende den største dyrkede og handlede korn på verdensplan. Brødhvede er en hexaploid art med tre subgenomer (2n =6x =42, AABBDD), der har gennemgået to separate allopolyploidiserings- og domesticeringsbegivenheder.

På grund af flaskehalseffekterne lider moderne hvede af ekstremt lav genetisk diversitet, hvilket har ført til genetisk erosion og øget modtagelighed og sårbarhed over for miljøbelastninger, skadedyr og sygdomme. Vild emmerhvede, Triticum dicoccoides, (2n =4x =28, AABB), er den direkte vilde forfader til både durum- og brødhvede, hvilket giver ny naturlig variation til moderne hvedeforbedring.

Forskere fra Institute of Genetics and Developmental Biology (IGDB) ved det kinesiske videnskabsakademi har gjort fremskridt med at klone et bredspektret meldugresistensgen, Pm36, der koder for en ny tandemkinase med et transmembrant domæne (WTK7-TM) der stammer fra vild emmer hvede.

Resultaterne blev offentliggjort online i Nature Communications den 10. april.

Pm36 blev først identificeret fra vilde emmer-durumhvede tilbagekrydsende introgressionslinjer og kortlagt til 5BL kromosomarmen af ​​forskere fra University of Bari, Italien, ved hjælp af amplificeret fragmentlængdepolymorfi, simpel sekvensgentagelse (SSR) og udtrykt sekvensmærke (EST) - afledte producenter.

Forskere fra China Agricultural University udviklede meldugresistens vild emmer-almindelig hvede tilbagekrydsning af introgressionslinje i omtrent samme tidsrum og kortlagde det samme gen ved hjælp af polymorfe SSR, EST-afledte sekvensmærkede stedmarkører ved at udføre sammenlignende genomisk analyse.

I denne undersøgelse blev en større segregationspopulation bestående af 31.786 gameter brugt til at klone Pm36 til at finkortlægge Pm36 i et lille genomisk interval indeholdende kun fire højsikkerhedsgener i henhold til de tilgængelige referencegenomsekvenser for hvede og dens vilde slægtninge. Ingen af ​​disse gener viste sig imidlertid at være Pm36, efter at de to udtrykte gener inden for dette interval blev indført separat i den meget modtagelige hvedesort Fielder ved Agrobacterium-medieret transformation til funktionel karakterisering.

Forskerne spekulerede derefter på, om dette var en variation i den genomiske struktur af Pm36-genregionen. Ved at udnytte de reducerede omkostninger ved PacBio SMRT langlæst sekventeringsteknologi blev den tetraploide vilde emmer-durum introgressionslinje 5BIL-29, der bærer Pm36, sekventeret for at generere HiFi-læsninger og Hi-C-læsninger til genomsekvenssamling. En 7,1 Mb contig ptg000422, der spænder over hele Pm36 fysiske kortlægningsinterval (1,17 Mb) blev fanget fra det samlede genom.

Ikke overraskende blev der fundet en stor sekvensinsertion i den fysiske Pm36-region, der huser syv yderligere forudsagte gener, og en formodet tandemkinase med et forudsagt transmembrandomæne (WTK7-TM) blev yderligere bekræftet som Pm36-genet.

Haplotypisk variationsanalyse afslørede, at Pm36 (WTK7-TM) kun blev præsenteret i den sydlige vilde emmer-genpulje. Fraværet af Pm36 og flere andre klonede sygdomsresistensgener, såsom Pm41, Yr15 og Yr36, i vilde emmerhvedes naturlige levesteder fra det sydøstlige Tyrkiet, hvor hvede menes at være blevet domesticeret, samt i dyrket tetraploid og hexaploid hvede, afslørede at disse sygdomsresistensgener blev efterladt i naturen og ikke integreret i den dyrkede hvede-genpulje.

De fleste af de klonede hvederesistensgener koder for intracellulære nukleotidbindende leucinrige gentagelsesreceptorproteiner. Hvede tandem kinase (WTK) blev for nylig karakteriseret som et nyt resistensprotein i hvede og vilde slægtninge for mange typer sygdomsresistens, herunder striberust, stængelrust, bladrust, meldug og hvedeblast.

Pm36/WTK7-TM blev opdaget i vild emmer hvede og har vist sig at være resistent over for forskellige isolater af Blumeria graminis f. sp. tritici. Pm36 er blevet brugt til at udvikle avancerede avlslinjer med bredspektret resistens og højt udbyttepotentiale for at sikre fødevaresikkerhed.

Flere oplysninger: Miaomiao Li et al, En membranassocieret tandemkinase fra vild emmer hvede giver bredspektret resistens over for meldug, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47497-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Chinese Academy of Sciences