Ген устойчивости пшеницы к стеблевой ржавчине Sr43 кодирует необычную протеинкиназу.

Природная генетика (2023)Процитировать эту статью

4003 Доступа

2 цитаты

107 Альтметрика

Подробности о метриках

Чтобы защитить мягкую пшеницу от вредителей и болезней, селекционеры ввели в ее геном более 200 генов устойчивости, тем самым почти удвоив количество назначенных генов устойчивости в генофонде пшеницы1. Выделение этих генов облегчает их быстрое отслеживание в программах селекции и включение в стеки полигенов для более устойчивой устойчивости. Мы клонировали ген устойчивости к стеблевой ржавчине Sr43, который был скрещен с мягкой пшеницей из дикой травы Thinopyrum elongatum2,3. Sr43 кодирует активную протеинкиназу, слитую с двумя доменами неизвестной функции. Ген, уникальный для Triticeae, по-видимому, возник в результате слияния генов 6,7–11,6 миллионов лет назад. Трансгенная экспрессия Sr43 в пшенице обеспечила высокий уровень устойчивости к широкому спектру изолятов возбудителя, вызывающего стеблевую ржавчину, что подчеркивает потенциальную ценность Sr43 в селекции и инженерии устойчивости.

Во всем мире ежегодно около 20% прогнозируемого производства мягкой пшеницы (Triticum aestivum) теряется из-за вредителей и болезней4. Использование генетических вариаций для повышения устойчивости к болезням является устойчивым и экологически чистым способом защиты посевов пшеницы5. На протяжении более 100 лет селекционеры проводили многочисленные скрещивания с целью обогащения генофонда пшеницы генами устойчивости. Примечательно, что более 200 из 467 в настоящее время обозначенных генов устойчивости у культивируемой мягкой пшеницы происходят за пределами генофонда мягкой пшеницы1. Однако развертыванию этих генов межвидовой устойчивости часто препятствует сопротивление сцеплению, то есть совместное введение вредных аллелей из связанных генов. Более того, отдельные гены устойчивости, как правило, быстро преодолеваются появлением штаммов патогенов, разрушающих устойчивость6. Клонирование отдельных генов устойчивости позволило бы внедрить их в виде генетически модифицированных стеков полигенов, которые, вероятно, обеспечат более длительную устойчивость7.

Большинство из ~291 гена устойчивости растений к болезням, клонированного на сегодняшний день, кодируют либо внутриклеточные рецепторы класса нуклеотидсвязывающих и богатых лейцином повторов (NLR), либо внеклеточные белки, подобные рецепторам, заякоренным в мембране (RLP, называемые RLK, когда они содержат внутриклеточную киназу). ) (Дополнительная таблица 1)1,8. Недавно была обнаружена новая группа генов устойчивости, члены которой кодируют две протеинкиназы, слитые в один белок. Эти гены тандемных киназ включают Rpg1, Yr15, Sr60, Sr62, Pm24, WTK4 и Rwt4 (ссылки 9,10,11,12,13,14,15). Другие гены устойчивости предлагают некоторые вариации этой архитектуры с протеинкиназами, слитыми с доменом переноса липидов, связанным с стероидогенным острым регуляторным белком (Yr36)16, доменом C2 и мультитрансмембранной областью (Pm4)17, основным белком спермы (Snn3)18, NLR (Tsn1, Rpg5 и Sm1)19,20,21 и домен типа А фактора Виллебранда (Lr9)22.

Эти гены устойчивости, кодирующие слитый киназный белок, по-видимому, уникальны для Triticeae, клада трав, возникшего 12 миллионов лет назад и охватывающего зерновые: пшеницу, рожь (Secale зерновые) и ячмень (Hordeum vulgare)23. Однако события слияния, которые привели к появлению этих генов, не были редкими и изолированными, они происходили много раз между разными классами киназ и порождали разнообразные комбинации10,12. Эта геномная инновация привела к устойчивости к филогенетически различным грибковым патогенам, охватывающим разделение аскомицетов и базидиомицетов возрастом около 300 миллионов лет.

Здесь мы клонировали ген устойчивости к стеблевой ржавчине Sr43, который был перенесен из пырея высокого (Thinopyrum elongatum) в мягкую пшеницу 45 лет назад2,3. Доминантный ген устойчивости Sr43 был интрогрессирован в хромосому 7D гексаплоидной пшеницы (рис. 1а,б). Мы мутагенизировали зерна интрогрессионной линии Sr43 этилметансульфонатом (EMS) и проверили 2244 выживших семейства M2 на восприимчивость к Puccinia graminis f. сп. тритичи (Пгт). Мы идентифицировали 23 семейства, различающихся по восприимчивости к стеблевой ржавчине, из которых мы подтвердили десять независимых мутантов путем тестирования потомства (дополнительная таблица 2) и генотипирования (дополнительные рисунки с 1 по 11).