Forscher entdecken natürliche Variationen in Wildweizen für eine Breitband-Krankheitsresistenz

Weichweizen ist für Millionen von Menschen eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel und scheint das am häufigsten angebaute und gehandelte Getreide der Welt zu sein. Brotweizen ist eine hexaploide Art mit drei Subgenomen (2n = 6x = 42, AABBDD), die zwei unterschiedliche Allopolyploidisierungs- und Domestizierungsereignisse durchlief.

Aufgrund von Engpasseffekten leidet moderner Weizen unter einer extrem geringen genetischen Vielfalt, was zu genetischer Erosion und erhöhter Anfälligkeit und Anfälligkeit für Umweltstress, Schädlinge und Krankheiten geführt hat. Wilder Emmerweizen, Triticum dicoccoides, (2n=4x=28, AABB), ist der direkte wilde Vorfahre von Hartweizen und Brotweizen und stellt eine neue natürliche Variante für die moderne Weizenverbesserung dar.

Forscher des Instituts für Genetik und Entwicklungsbiologie (IGDB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben Fortschritte bei der Klonierung eines Breitband-Resistenzgens gegen Mehltau, Pm36, erzielt, das eine neuartige Tandemkinase mit einer Transmembrandomäne (WTK7-TM) aus der Wildnis kodiert Weizen.

Die Ergebnisse wurden online veröffentlicht in Natürliche Kommunikation am 10. April.

Pm36 wurde erstmals aus Rückkreuzungs-Introgressionslinien von wildem Emmer und Hartweizen identifiziert und von Wissenschaftlern der Universität Bari, Italien, mithilfe der amplifizierten Fragmentlänge, der einfachen Sequenzwiederholung (SSR) und des ausgedrückten Sequenztags (EST) auf den Chromosomenarm 5BL kartiert. abgeleitete Hersteller.

Wissenschaftler der China Agricultural University entwickelten im gleichen Zeitraum eine gegen Echten Mehltau resistente Wildweizen- und Weichweizen-Rückkreuzungs-Introgressionslinie und kartierten das gleiche Gen mithilfe von polymorphen SSR- und EST-Standortmarkern, die aus markierten Sequenzen abgeleitet wurden, durch eine vergleichende Genomanalyse genau.

In dieser Studie wurde zum Klonen von Pm36 eine größere segregierende Population bestehend aus 31.786 Gameten verwendet, um Pm36 innerhalb eines kleinen Genomintervalls fein zu kartieren, das nur vier Gene mit hoher Konfidenz gemäß den verfügbaren Referenzgenomsequenzen von Weizen und seinen wilden Verwandten enthielt. Es wurde jedoch festgestellt, dass es sich bei keinem dieser Gene um Pm36 handelte, nachdem die beiden in diesem Intervall exprimierten Gene durch Agrobacterium-vermittelte Transformation zur funktionellen Charakterisierung getrennt in die äußerst anfällige Weizensorte Fielder eingeführt wurden.

Die Forscher fragten sich dann, ob es sich hierbei um eine Variation in der Genomstruktur der Pm36-Genregion handelte. Unter Ausnutzung der reduzierten Kosten der PacBio SMRT-Long-Read-Sequenzierungstechnologie wurde die tetraploide Wild-Emmer-dur-Introgressionslinie 5BIL-29 mit Pm36 sequenziert, um HiFi-Reads und Hi-C-Reads für die Zusammenstellung genomischer Sequenzen zu generieren. Aus dem zusammengesetzten Genom wurde ein 7,1 MB großer Contig ptg000422 erfasst, der sich über das gesamte physische Pm36-Kartierungsintervall (1,17 MB) erstreckt.

Es überrascht nicht, dass in der physikalischen Region von Pm36 eine große Sequenzinsertion gefunden wurde, die sieben weitere vorhergesagte Gene beherbergt, und es wurde außerdem bestätigt, dass es sich bei einer mutmaßlichen Tandemkinase mit einer vorhergesagten Transmembrandomäne (WTK7-TM) um das Pm36-Gen handelt.

Die Analyse haplotypischer Variationen ergab, dass Pm36 (WTK7-TM) nur im südlichen Wildemmer-Genpool vorhanden war. Das Fehlen von Pm36 und mehreren anderen geklonten Krankheitsresistenzgenen wie Pm41, Yr15 und Yr36 in den natürlichen Wildweizenlebensräumen im Südosten der Türkei, wo Weizen vermutlich domestiziert wurde, sowie im kultivierten tetraploiden und hexaploiden Weizen, ergab, dass diese Krankheitsresistenzgene in der Natur belassen wurden und nicht in den Genpool von Kulturweizen integriert wurden.

Die meisten geklonten Weizenresistenzgene kodieren für Leucin-reiche Wiederholungsrezeptorproteine, die an intrazelluläre Nukleotide binden. Weizen-Tandemkinase (WTK) wurde kürzlich als neuartiges Resistenzprotein von Weizen und seinen wilden Verwandten gegen viele Arten von Krankheitsresistenzen charakterisiert, darunter Streifenrost, Stängelrost, Blattrost, Echter Mehltau und Weizenbrand.

Pm36/WTK7-TM wurde in Wildweizen entdeckt und erwies sich als resistent gegen verschiedene Isolate von Blumeria graminis f. sp. tritici. Mit Pm36 wurden fortschrittliche Zuchtlinien mit Breitbandresistenz und hohem Ertragspotenzial entwickelt, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten.