小麦抗条锈病基因Yr10的遗传分析

发布时间：2020-07-21 13:50

【摘要】：小麦条锈病是由小麦条锈菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)引起的一种重要真菌病害,对我国小麦生产带来重要威胁。与化学防控相比,利用抗病基因及选育抗病品种是控制小麦条锈病最为经济、有效的途径。小麦抗条锈病基因Yr10是一个全生育期抗病基因(ASR),对我国目前主要小麦条锈菌流行小种提供高水平抗病性,是一个优良的抗病性基因。为克隆Yr10基因,本研究对已报道的Yr10候选基因(Yr10_(CG),GenBank ID AF149112)进行了验证,并开展了Yr10基因的遗传作图。研究表明Yr10_(CG)基因并不代表真正的Yr10抗病位点,二者相距1.2 cM。主要结果如下:1、Yr10基因提供相对稳定的小麦条锈菌抗病性。通过多年试验,携带Yr10基因的材料在黄淮麦区一直表现高水平抗病性。Yr10单基因的抗病表现与其供体材料‘Moro’不同:Moro呈现免疫反应,而携带Yr10单基因的植株叶片常呈现坏死条纹或坏死斑,但坏死组织通常没有条锈菌孢子堆的出现,抗病反应型IT=1-3,构成Yr10基因的特征表型。2、Yr10_(CG)基因与小麦抗条锈病表型缺乏紧密联锁关系。通过利用Yr10_(CG)特异引物筛选种质材料并进行表型关联分析,发现携带Yr10_(CG)基因的62份小麦并非都表现抗条锈病,其中11份材料表现中感,4份材料表现高感小麦条锈病。为此,我们利用Ubi和WKS1两种启动子分别驱动Yr10_(CG)基因开展转基因互补实验,利用条锈菌小种‘条中29’进行接种验证,发现Yr10_(CG)基因的表达并不能提高转基因‘Bobwhite’植株的抗条锈病水平。3、Yr10位于Yr10_(CG)基因远着丝粒端约1.2 cM。利用Yr10基因的供体材料Moro(含有两个显性抗条锈病基因)与高感小麦条锈病材料‘辉县红’进行杂交,获得Yr10单基因分离的F_(2:3)群体(pop8、pop10)并开展初步遗传定位。挑选pop8和pop10中表现抗感分离的株系,发展成为精细定位群体,利用其中1,726个感病单株(pop11)进行基因的精确定位。结果发现Yr10_(CG)并不代表Yr10位点,Yr10_(CG)基因位于Yr10位点近着丝粒端约1.2 cM的位置。我们另外开发了与Yr10位点紧密连锁的标记Xsdauw79。4、利用合成小麦创建Yr10基因的高效定位群体。普通小麦之间遗传多态性较低,为Yr10基因的进一步定位带来了难度。我们选择了6个人工合成小麦材料,分别与pop8、pop10群体中Yr10位点纯合的抗病单株杂交重新构建作图群体,获得了11个杂交组合,并对其中4个群体开展了抗条锈病表型鉴定和遗传分析,结果符合单基因分离模式。根据小麦基因组参考序列开发了标记,并在新型作图群体上进行Yr10基因的定位。但是,该区域的标记多为显性标记,只在人工合成小麦材料工作,由此推测小麦1BS染色体末端存在结构变异。5、Yr10基因区域存在明显的染色体结构变异。我们比较了六倍体小麦‘Chinese Spring’和四倍体小麦‘Zavitan’1BS染色体末端2.5 Mb范围内的染色体序列,发现存在明显的染色体结构变异。六倍体小麦末端1.5 Mb范围内的11个基因在四倍体小麦中没有同源基因,两个小麦材料在1BS末端存在一个约1 Mb的染色体倒位。Yr10基因正位于这个倒位区间。6、Yr10基因突变群体的建立。为获得Yr10基因并验证其基因功能,我们利用1%和1.05%EMS共处理了10,000粒Yr10单基因纯合的种子,获得M_1突变植株2,100株。经接种鉴定及分子标记辅助筛选,共获得8个独立突变体株系,表现高感小麦条锈病,将用于Yr10候选基因的挖掘和功能验证。本研究对前人报道的Yr10候选基因(Yr10_(CG),Genbank ID AF149112)进行了验证,并开展了Yr10基因的遗传作图。研究发现Yr10_(CG)基因并不代表Yr10位点,二者相距1.2 cM。我们近一步开发了与Yr10基因紧密连锁的标记Xsdauw79。Yr10基因提供全生育期抗病性,Yr10基因的准确定位将为小麦抗病育种和该基因的克隆奠定了良好的基础。
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S435.121.42
【图文】：

条纹,株系,辉县,抗条锈病

的供体材料是普通小麦 Moro，前人研究发现 Moro 中含有两个条锈病10 和 YrMor（Chen, 2005）。本课题组通过多年多点试验，发现 Moro 对高抗接近免疫（IT=0）。从 Moro/辉县红 F2群体中获得了 Yr10 单基因 pop8、pop10，其中携带 Yr10 单基因的植株也表现对小麦条锈菌的高=1-2）。 Yr10 单基因的材料其抗病反应型明显不同于 Moro（携带双抗病基因）因的抗病植株叶片呈现细小的坏死条纹或点状坏死斑，但是坏死组织部锈菌孢子堆，抗病反应型 IT=1-3，构成 Yr10 基因的特征表型（图 2）。从四川的抗病测试中，Moro 与 Yr10 单基因材料逐渐失去了对条锈菌的抗川地区已经有新的毒性小种开始流行，导致 Yr10 基因抗病性有所丧失山东泰安）的小麦抗条锈病测试中（2011-2018 年间），Yr10 基因依然菌的高水平抗病性。

小麦抗条锈病,关联分析,性状,位点

图 3 Yr10CG位点与小麦抗条锈病性状的关联分析A：亲本材料；B：免疫材料；C：高抗材料；D：中抗材料；E：中感材料；F：高感材料Fig. 3 Stripe rust responses of Yr10CG-positive genotypes.A. Parental lines used for the Yr10 gene mapping. B F. Resistance spectrum of the Yr10CG-positive germplasm..2.2 Yr10CG的转基因功能验证为进一步验证 Yr10CG基因功能，我们从 Moro 中克隆到 Yr10CG基因的全长 cDNA，后利用 gateway 技术构建了 Yr10CG基因的 2 个表达载体。载体 1 中玉米泛素启动子驱 Yr10CGcDNA 的表达，载体 2 中小麦抗条锈病基因 WKS1 启动子驱动 Yr10CGcDNA表达，并且两个载体都携带抗除草剂 Bar 基因筛选标记。利用基因枪转化技术，分别化普通小麦‘Bobwhite’幼胚 1,100 个（Ubi:: Yr10CG-cDNA）和 1,800 个（WKS1::r10CG-cDNA），通过 PCR 标记和除草剂检测，载体 1 获得 4 个独立的转基因株系共

转基因,株系,植株,抗条锈病

小麦抗条锈病基因 Yr10 的遗传分析17 个阳性植株，载体 2 获得 5 个独立的转基因株系共 11 个阳性植株。T0转基因植株自交获得 T1代种子。我们针对 2 个载体分别选取 1 个独立的转基因株系，每个株系包括 2 棵阳性植株和 2 棵阴性植株开展抗条锈病测试（针对 CYR29 单一小种），并检测了 Yr10CG在基因组水平的呈现和 cDNA 水平的表达；相关检测也涉及Moro（+Yr10）、Bobwhite（-Yr10）、pop8 群体的抗病株系 pop8-10（+Yr10）、pop1群体的抗病株系（+Yr10）等对照植株（图 4）。结果显示，转基因株系中的阳性植株和阴性植株条锈菌接种反应与转基因受体材料 Bobwhite 类似，都不表现抗病，叶片表面有明显孢子堆堆积（IT=6-7）。然而，Yr10 基因的供体材料 Moro 以及 Yr10 单基因阳性个体均表现高水平抗病（图 4）。结果说明，Yr10CG的转基因表达并不能提高受体材料的抗条锈病水平。

【参考文献】