小麥赤霉病為全球小麥生產上常發的重要病害之一，由禾谷鐮刀菌等多種鐮刀菌屬真菌侵染開花期的穗子造成，不僅對產量造成嚴重損失，而且脫氧雪腐鐮刀烯醇等真菌毒素的積累還會影響小麥品質及威脅人類健康。目前我國防治小麥赤霉病主要依靠初花期打藥來降低赤霉病發病。小麥抗赤霉病新品種選育并持續進行新抗病基因發掘，是最有效的防控途徑之一，但長期以來缺少抗性材料和理想的抗病基因資源，目前僅Fhb1基因被較為廣泛地應用于育種生產，但其抗病機制并不清晰，而且Fhb1的利用背景依賴性很強，對一些冬性小麥的改良并不理想。因此，發掘小麥抗赤霉病育種的遺傳基礎尤為重要。

  此前，研究人員利用四倍體長穗偃麥草開始了小麥遠緣雜交育種工作，以硬粒小麥為母本，四倍體長穗偃麥草為父本進行雜交、回交和連續自交，意外發現育成的六倍體小偃麥具有非常好的赤霉病抗性。鑒定發現二倍體長穗偃麥草同樣高抗赤霉病，且近期發表的研究表明四倍體長穗偃麥草是由二倍體長穗偃麥草同源加倍、進化而來的。

  為拓寬小麥遺傳資源及改良小麥赤霉病抗性，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員韓方普團隊鑒定發現含有二倍體長穗偃麥草(Thinopyrum elongatum)7E染色體的小麥材料具有很好的赤霉病抗性(Fu et al., JGG, 2012)。從2010年開始，團隊利用10年時間集中進行二倍體長穗偃麥草端體附加系(CS-7EL)的花粉輻射工作，通過對843個穩定的易位系進行連續多年多點的大田、溫室赤霉病接菌鑒定和回交轉育，篩選得到了多份兼具赤霉病抗性且農藝性狀優良的小麥新品系(Guo et al.,2023 unpublished)，其中，易位系中科166(7D染色體小片段易位系)作為中抗赤霉病材料于2022年通過國家審定，易位系中科1878(6D染色體小片段易位系)進入國家小麥良種聯合攻關2022-2023年生產試驗。

  韓方普在加拿大農業部工作期間，鑒定發現含有十倍體長穗偃麥草(Thinopyrum ponticum)7E2染色體的易位系及來自KSU的10份易位系均不抗赤霉病。團隊成員們對含有Fhb7基因的小麥-十倍體長穗偃麥草衍生系進行赤霉病抗性鑒定，發現小麥-十倍體長穗偃麥草易位系TNT-B和小麥-十倍體長穗偃麥草部分雙二倍體SNTE122均高感赤霉病(Guo et al., Plants，2022)。

  從2013年開始，團隊系統地進行了分子標記開發、抗病基因區段定位，得到61個7E染色體長臂特異的分子標記，并初步將抗病基因定位到7E染色體長臂末端，發現5個分子標記與抗病區段緊密連鎖。

  易位系中科1878具有很好的赤霉病抗性，單花滴注接種鑒定達到蘇麥3號抗性水平，在濟麥22背景下將發病小穗數從13.43將低至1.43.基因組重測續表明小麥6D染色體長臂末端攜帶100Mb左右的二倍體長穗偃麥草7E染色體末端易位片段(圖1a-c)。為篩選來自7E染色體的抗赤霉病基因，團隊對中科1878和濟麥22接菌96小時后的小穗進行三代轉錄組測序，最終篩選到25個與小麥差異較大的長穗偃麥草來源的轉錄本，其中，轉錄本T26102注釋為GST蛋白，在接菌48小時后表達量顯著上調(圖1d,e)，并且與已經發表的GST-Fhb7高度同源。

  為進一步研究T26102與赤霉病抗性間的關聯，團隊發現CS-7EL附加系、中科1878、小麥-十倍體長穗偃麥草易位系4460、4462和小麥-十倍體長穗草部分雙二倍體SNTE20均含有T26012的同源序列，且CS-7EL、中科1878、SNTE20中均含有兩個不同的拷貝(圖1f)。對含T26102同源序列的材料進行接菌鑒定，他們發現4460、4462、SNTE20接菌96小時后表達量均顯著上調，卻與對照材料濟麥22同樣表現高感赤霉病(圖1g-i)，該結果與2022年此前研究中易位系TNT-B和SNTE122的相關結果一致(Guo et al., Plants 2022)。

  為進一步確定T26102的功能，研究人員首先構建了pUbi:T26102過表達載體，得到了19AS161、濟麥22、中麥175三個品種的轉基因植株，對T0代植株和野生型對照進行赤霉菌接菌鑒定，接菌7天后穗子均部分干枯，過表達植株抗性水平與野生型相比沒有顯著差異(圖2j,k)。為排除T26102與Fhb7間的氨基酸差異和啟動子序列差異，研究人員對已發表的Fhb7基因序列構建了過表達載體和內源啟動子載體，并轉入鄭麥7698和科農199.對鄭麥7698背景的T0代轉基因植株和科農199背景的T1代轉基因植株進行接菌鑒定，發現轉基因植株的抗性與對照沒有顯著差異(圖2l-n)。

  研究結果表明，T26102的同源序列在多個感病材料中存在且受誘導表達，其中部分材料中的序列與已發表的Fhb7基因區序列、啟動子區序列均完全一致，T26102的過表達植株和Fhb7的過表達、內源啟動子植株均不具有赤霉病抗性。Fhb7不是抗病基因，根據多年鑒定及系統材料研究，在十倍體長穗偃麥草中還沒有發現類似二倍體長穗偃麥草的赤霉病抗性材料或基因。

  相關研究成果于近日以Functional analysis of the glutathione S-transferases from Thinopyrum and its derivatives on wheat Fusarium head blight resistance為題發表在Plant Biotechnology Journal上。

2023年2月13日

  來源：中國科學院遺傳與發育生物學研究所