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创新的基因堆栈增强了小麦的抗锈性

约翰·英因斯中心的研究人员帮助开发了开拓性的基因堆叠技术,以应对小麦锈病日益严重的威胁。澳大利亚国家科学机构CSIRO的研究人员领导了国际合作,通过将抗病基因“堆叠”在一起,开发出具有更强,甚至更持久的抗锈病抗性水平的小麦。

这代表了相对于常规小麦育种方案的重大进步,在常规育种方案中,单个抗性基因被逐一添加。

研究人员开发了结合并插入五个不同小麦抗性基因的新颖遗传技术。根据《自然生物技术》(Nature Biotechnology)发表的结果,这种结合可防止植物在后续育种世代中分离。

CSIRO首席研究员Mick Ayliffe博士说:“我们的方法就像在门上放了五把锁,您很难进入。严格的现场测试表明,我们的基因堆栈方法为我们所针对的锈病病原体提供了全面的保护。”

小麦提供了全球约20%的卡路里摄入量,因此保护作物对世界粮食安全至关重要,谷物锈病也影响大麦,燕麦,黑麦和黑小麦的作物。

由于锈是一个全球性问题,它需要与CSIRO,明尼苏达大学,奥尔胡斯大学,约翰·英内斯中心,USDA,新疆大学的研究人员组成的团队进行国际合作,并由2Blades基金会资助。

科学家使用一种称为MutRenSeq的技术克隆了五个抗性基因中的两个抗性基因,该技术可快速检测小麦中的抗性基因。

约翰·因内斯中心的布兰德·沃尔夫夫博士是开发这项技术的研究人员之一。

“很高兴看到我们帮助克隆的两个基因已在小麦的第一批中使用。令人兴奋的是,因为它表明该技术有效;如果出现新的茎锈病流行,我们现在将拥有一个对于那些反对使用转基因作物的人来说,当您拥有一个如此优雅的解决方案,以新颖的方式利用小麦的基因来保护小麦时,反对这一挑战就变得更加困难。”

正在使用基因组编辑工具为小麦开发未来的基因堆栈,以生产抗药性作物,在某些国家(例如美国),这些抗性作物可能被视为非转基因作物(转基因作物)。

小麦茎锈病在英国是一种历史性疾病,至今已存在60年,但由于气候变化和现代小麦品种缺乏抗药性,它已成为一种新出现的威胁。

小麦锈病会迅速发生突变,从而使小麦育种者难以使用常规育种快速做出反应。但是,在基因堆栈中一起编译的多个基因可以增强小麦的防御能力,并且可以更快地进行部署。

Ayliffe博士说,这项研究针对茎锈病,但是同样的技术也可以用于对抗条锈病和叶锈病,并且可以在不同的现有小麦品种中增加抗病性。

他补充说:“我们还不知道这种新的基因堆叠技术的局限性。我们目前拥有八个抗性基因的更大基因堆叠,因此可以提供更多的防锈保护。”

“五转基因盒赋予小麦对真菌锈病病原体的广谱抗性”发表于《自然生物技术》

在过去五年中开发的一系列支持技术消除了与发现和克隆小麦及其野生近缘种的抗病基因有关的一些挑战。

John Innes中心的Brande Wulff博士团队已经开发了这些技术。它们包括:

突变序列

结合诱变和抗药性基因富集测序(RenSeq),该技术通过归巢于细胞内免疫受体编码基因来降低全麦基因组测序的成本,该基因已被证明可编码数百种病害中的抗病基因以前记录的案例。

在小麦中,有> 3,000种免疫受体。该技术导致茎防锈基因Sr22,Sr45,Sr26,Sr60和条纹防锈基因Yr5a,Yr5b和Yr7的快速克隆。

MutChromSeq

降低小麦基因组复杂性的另一种方法是将该基因定位到其21条染色体之一。

由于改进了染色体流分类和纯化,现在可以对几乎所有小麦品种的单条染色体进行测序。

将诱变与染色体流分类(MutChromSeq)结合在一起,可以分离出小麦白粉病抗性基因Pm2。

AgRenSeq

该技术利用自然界自身的遗传结构,即在数千年的小麦亲属野生种群中积累的重组和突变,从而避免了像MutRenSeq或MutChromSeq中那样产生自己的遗传结构的需要。

AgRenSeq需要遗传多样性的专家组,然后是RenSeq和表型分析。

该技术将发现和克隆功能合二为一,大大减少了克隆抗病基因的时间和成本。一旦对面板进行了序列配置和扩增,就可以一次又一次针对不同的病原体和病原体分离株使用它。

AgRenSeq导致Sr46的快速克隆和SrTA1662候选物的鉴定(Arora等人2019)。

沃夫夫博士说:“通过这些技术,消除了与小麦及其野生近缘种的抗病基因的发现和克隆相关的一些关键障碍和谜团。”

“改良的小麦基因组装配技术和小麦转化方法很可能在未来2-4年内大大降低进一步的壁垒。这将为生成和测试多抗性转基因堆栈提供原料,不仅抗茎锈病,而且还可抗许多小麦和其他重要农作物的其他主要病害。”

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