Fhb7基因水平转移与小麦赤霉病抗性

本文为2020年转载的作者导读，保留原研究的时间与论述范围；已清理对应活动预告。

被称为小麦“癌症”的赤霉病是农业领域的世界性难题，严重威胁粮食生产和食品安全，是各国政府格外关注并亟待解决的重大问题。2020年4月10日，山东农业大学孔令让团队在《Science》以 “First Release”的形式发表研究长文（Research Article），成功克隆了来源于长穗偃麦草的抗赤霉病主效基因Fhb7, 揭示了其抗病分子机理和遗传机理，并成功应用于小麦育种，在小麦抗赤霉病育种中取得了重大突破。同期，《Science》也刊登了该工作的点评文章。据相关数据统计，这是我国小麦研究领域首篇Science文章，也是我国小麦重要功能基因研究首篇CNS文章。小麦研究联盟有幸邀请到文章的第一作者兼共同通讯作者王宏伟老师给我们带来一作解读。

一、研究背景

小麦赤霉病是由多种镰刀菌引起的穗部真菌病害。近年来，由于全球气候变暖、小麦-玉米（水稻）轮作制度和秸秆还田技术的推广，小麦赤霉病在世界范围内不断流行爆发，不但造成严重减产，同时也导致面粉和饲料呕吐毒素（DON）严重污染，已成为威胁粮食生产和食品安全的重大难题。但遗憾的是，目前小麦种质资源中可用的主效抗赤霉病基因非常稀少。该研究团队经过20年的持续研究，首先发现小麦近缘植物长穗偃麦草7E染色体长臂末端携带抗赤霉病主效基因，并将其命名为Fhb7，随后成功将该抗病基因转移至栽培小麦品种，明确了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和潜在的应用价值。

二、研究结果

1. 首次完成了二倍体长穗偃麦草基因组（E）的组装、注释和比较基因组学分析；根据参考基因组开发分子标记，利用小麦-长穗偃麦草异代换系（7D/7E）构建的作图群体，完成Fhb7的精细定位；通过筛选BAC文库，搭建了抗病亲本物理图谱，将该基因锁定在245Kb的物理区间内，并获得唯一表达的候选基因（功能注释为谷胱甘肽转移酶,glutathione S-transferase）；通过BSMV诱导基因沉默、TILLING突变体、小麦转基因研究等验证了该基因的功能，确认其为Fhb7。

1. 禾谷镰刀菌分泌的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）（又称呕吐毒素）在IARC分组中属于第3组（对人类的致癌性尚无法分类）。本研究通过一系列分子实验和高分辨质谱，发现Fhb7编码的蛋白可以打开DON毒素的环氧基团，并催化其形成谷胱甘肽加合物（DON-GSH），从而产生解毒效应。（注：自1970年代，已知环氧基为DON毒素的核心毒性结构，本研究首次发现Fhb7编码的蛋白可以催化其去环氧化从而实现解毒功能）。

鉴于该环氧基团在A型和B型单端孢霉烯族毒素中的保守性，进一步研究发现Fhb7具有广谱解毒功能，即可以对3-ADON、15-ADON、NIV、T2、HT-2、Fus-X、Das等一系列镰刀菌属分泌的毒素进行GSH衍生化。同时，本研究也证明Fhb7对镰刀菌属病原菌具有广谱抗性，其转基因植株对小麦赤霉病和茎基腐病均表现明显抗性。

1. 本研究在小麦族及整个植物界没有发现Fhb7的同源基因，而禾本科植物内生真菌Epichloë 基因组中的单拷贝基因与Fhb7相似性高达97%。该结果暗示，二倍体长穗偃麦草早期可能与Epichloë形成共生体，通过基因水平转移将Epichloë Fhb7的DNA整合到长穗偃麦草基因组中，从而进化出抗镰刀菌属病原菌侵染的功能，该发现首次提供了真核生物间核基因组DNA水平转移的功能性证据。

1. 本研究利用远缘杂交结合分子标记辅助选择将携带Fhb7的染色体片段转移至栽培小麦品种，通过多年的表型鉴定发现，在多种不同的遗传背景下，Fhb7均显著提高小麦赤霉病和茎基腐病抗性，而对产量无显著负面影响。

三、主要研究结论

1. Fhb7的成功克隆为小麦赤霉病及茎基腐病的抗性遗传改良提供了长效、广谱的抗病基因资源；

2. Fhb7对单端孢霉烯族毒素的解毒功能将有可能解决粮食和饲料中单端孢霉烯族毒素严重污染的问题；

3. 本研究首次提供了真核生物间核基因组DNA水平转移的功能性证据，为进一步探索植物抗病基因和基因组进化机制开辟了一条新途径；

4. 长穗偃麦草基因组组装工作的完成，为进一步克隆并有效利用E基因组上的优异基因提供了重要的信息资源。（注：本研究受独立知识产权保护，部分研究成果已申报专利）。

作者贡献

本研究的通讯单位为山东农业大学，通讯作者为孔令让教授；王宏伟为第一作者和通讯作者；山东农业大学孙思龙副教授、博士研究生葛文扬、博士后赵兰飞、博士研究生侯冰倩、博士研究生吕忠璠和诺禾致源生信工程师王凯为共同第一作者。本文主要参与人还包括中国科学院遗传发育研究所高彩霞研究员，美国农业部中西部应用研究中心柏贵华教授，美国农业部红河流域农业研究中心许树军教授，美国普渡大学Herbert Ohm教授，以色列海法大学Eviatar Nevo教授，山东农业大学李安飞研究员、倪飞副教授，山东省农科院郭军助理研究员以及烟台大学李家柱副教授等。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、转基因重大专项、山东省农业良种工程及山东省现代农业产业技术体系的资助。