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凌宏清研究组在小麦杂种坏死研究中取得新进展

  小麦是世界上最重要的粮食作物之一。在小麦遗传改良过程中,往往会出现杂种坏死(hybrid necrosis)现象,严重阻碍了不同基因型间小麦优良性状的聚合。上世纪60年代,科学家就已经证实小麦杂种坏死由一对互补基因Ne1Ne2共同控制。然而,直到现在小麦杂种坏死机制仍不清楚。 

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清研究组克隆了小麦杂种坏死基因Ne2,揭示了持续激活的免疫反应与小麦杂种坏死之间的关系。凌宏清实验室前期利用关联分析的方法对Ne1Ne2进行了初定位(Si et al. 2021. TAG)。随后从普通小麦品种郑农17”ne1ne1Ne2Ne2)和洋白麦Ne1Ne1ne2ne2)衍生的重组自交系群体中筛选到一个Ne2位点的剩余杂合系(携带Ne1Ne1Ne2ne2基因型)。利用图位克隆的方法从郑农17”中克隆了小麦杂种坏死基因Ne2,该基因编码一个CC-NBS-LRR结构域蛋白。利用CRISPR/Cas9技术,在杂种坏死株系NIL-Ne2RIL-66的遗传背景下敲除Ne2基因能够使叶片恢复正常生长(图)。qPCR检测以及组织学染色观察表明,Ne1诱导的Ne2表达上调和H2O2过量积累与叶片坏死形成密切相关。结合先前的研究报道,该研究利用遗传分析、Ne2基因区间的共线性分析和Ne2的序列比对分析,推测Ne2与抗叶锈基因LrLC10/Lr13是同一个基因。利用新开发的Ne2诊断标记,对来自世界不同地区的501份普通小麦材料(包含301份栽培品种,201份农家种)进行检测,发现Ne2等位基因在地方品种中的出现频率(2.00%)远低于现代品种(13.62%),表明Ne2/LrLC10/Lr13已部分应用于小麦遗传改良,其利用程度受到Ne1基因存在的限制。该研究结果为深入研究杂种坏死的分子机制、通过分子标记辅助选择Lr13以及同时避免杂交坏死提供了契机。 

 

  相关研究成果于2021623日在线发表于New Phytologist杂志(DOI:10.1111/nph.17575)。凌宏清研究组司要奇博士和郑树松副研究员为本文的共同第一作者;凌宏清研究员和郑树松副研究员为本文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目,山东省自然科学基金重大基础研究项目以及河北省科技支撑计划项目的资助。 

    

图:在不同遗传背景下敲除Ne2基因后叶片生长回复正常。KO-80KO-200未对照,KO-70KO-156KO-163KO-206KO-233为用基因编辑技术敲除Ne2基因的株系。