Учёные обнаружили естественную вариацию в дикой пшенице двузернянке для широкого спектра устойчивости к болезням

Хлебная пшеница — одна из важнейших продовольственных культур и крупнейшая по площади возделывания и торговле зерновая культура в мире. Это гексаплоидный вид с тремя субгеномами (2n = 6x = 42, AABBDD), прошедший через два отдельных события аллополиплоидизации и доместикации.

Из-за эффекта «бутылочного горлышка» современная пшеница обладает крайне низким генетическим разнообразием, что привело к генетической эрозии и повышенной восприимчивости к стрессам, вредителям и болезням. Дикая пшеница двузернянка (Triticum dicoccoides) (2n = 4x = 28, AABB) является прямым диким предком как твёрдой, так и хлебной пшеницы и служит источником новой естественной вариации для улучшения современной пшеницы.

Исследователи из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук достигли прогресса в клонировании гена устойчивости к мучнистой росе широкого спектра действия Pm36. Этот ген кодирует новую тандемную киназу с трансмембранным доменом (WTK7-TM) и происходит из дикой пшеницы двузернянки.

Результаты были опубликованы онлайн в журнале Nature Communications 10 апреля.

История идентификации и картирования гена

  • Ген Pm36 был впервые идентифицирован в интрогрессионных линиях, полученных от скрещивания дикой двузернянки и твёрдой пшеницы, и картирован на плече хромосомы 5BL учёными из Университета Бари (Италия) с использованием маркеров AFLP, SSR и EST.
  • Примерно в то же время учёные из Китайского сельскохозяйственного университета создали интрогрессионную линию от скрещивания дикой двузернянки и мягкой пшеницы, устойчивую к мучнистой росе, и провели точное картирование того же гена с помощью полиморфных SSR и EST-STS маркеров, выполнив сравнительный геномный анализ.

Клонирование гена и обнаружение структурной вариации

В данном исследовании для клонирования Pm36 использовалась большая сегрегационная популяция (31 786 гамет) для точного картирования гена в небольшом геномном интервале. Согласно имеющимся референсным геномам пшеницы и её диких родственников, этот интервал содержал только четыре гена с высокой достоверностью. Однако ни один из них не оказался геном Pm36 после функциональной характеристики путём агробактериальной трансформации в восприимчивый сорт пшеницы Fielder.

Исследователи предположили, что причиной может быть вариация в геномной структуре региона гена Pm36. Воспользовавшись снижением стоимости технологии PacBio SMRT длинного чтения, они отсеквенировали тетраплоидную интрогрессионную линию 5BIL-29, несущую Pm36, для сборки геномной последовательности по HiFi и Hi-C ридам.

Был получен контиг ptg000422 длиной 7.1 Мб, охватывающий весь интервал физического картирования Pm36 (1.17 Мб). Как и ожидалось, в этом регионе обнаружилась большая вставка последовательности, содержащая семь дополнительных предсказанных генов. Предполагаемая тандемная киназа с трансмембранным доменом (WTK7-TM) была в дальнейшем подтверждена как искомый ген Pm36.

Происхождение и значение открытия

  • Анализ гаплотипической вариации показал, что Pm36 (WTK7-TM) присутствует только в южном генофонде дикой двузернянки.
  • Отсутствие Pm36 и нескольких других клонированных генов устойчивости к болезням (таких как Pm41, Yr15 и Yr36) в естественных местообитаниях дикой двузернянки на юго-востоке Турции (где, как считается, произошла доместикация пшеницы), а также у культивируемой тетраплоидной и гексаплоидной пшеницы, указывает на то, что эти гены устойчивости остались в дикой природе и не были интегрированы в генофонд культурной пшеницы.
  • Большинство клонированных генов устойчивости пшеницы кодируют внутриклеточные NBS-LRR рецепторные белки. Тандемная киназа пшеницы (WTK) недавно была охарактеризована как новый тип белка устойчивости у пшеницы и её диких родственников, обеспечивающий защиту от многих болезней: жёлтой, стеблевой и бурой ржавчины, мучнистой росы и пшеничного взрыва.

Pm36/WTK7-TM, обнаруженный в дикой пшенице двузернянке, показал устойчивость к различным изолятам Blumeria graminis f. sp. tritici. Ген уже используется для создания перспективных селекционных линий с устойчивостью широкого спектра и высоким потенциалом урожайности для обеспечения продовольственной безопасности.