科学家攻克棉花抗枯萎病分子育种技术瓶颈

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  2月19日,国际期刊《科学进展》(Advanced Science)在线发表了华中农业大学棉花遗传改良团队的研究论文。该研究首次鉴定到陆地棉抗枯萎病主效基因Fov7,并首次发现谷氨酸类受体(GLR)可作为非典型主效抗病基因调控植物免疫反应。该研究完善了植物与病原菌分子互作理论体系,为棉花抗枯萎病分子育种提供了技术支撑,并对棉花抗黄萎病研究提供了借鉴。

  尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)是一种广泛存在的土传病原真菌,其寄主范围广泛,可侵染包括茄科蔬菜、瓜类、棉花、香蕉及花卉等100多种具有重要经济价值的植物,位列全球十大病原真菌第五位,对全球农作物健康生产危害严重。

  论文通讯作者、华中农业大学教授朱龙付介绍,棉花枯萎病是由尖孢镰刀菌萎蔫专化型引起的真菌病害,是世界棉花生产过程中危害最严重的病害之一,与黄萎病并称为棉花“癌症”。目前世界范围内已鉴定到尖孢镰刀菌萎蔫专化型的8个生理小种,其中7号生理小种在我国分布最为广泛,且致病力最强,是影响我国棉花生产的优势小种。

  前人研究表明,棉花对尖孢镰刀菌萎蔫专化型7号生理小种的抗性由一个或两个主效抗病基因及一些微效基因控制,但陆地棉抗枯萎病的主效基因及其介导的抗病机制长期未知,影响了棉花抗枯萎病育种效率。

  该研究利用290份陆地棉栽培种组成的自然群体,经过多年田间鉴定,结合覆盖全基因组的高密度单核苷酸多态性标记对棉花枯萎病抗性进行了全基因组关联分析,鉴定到棉花抗枯萎病菌7号生理小种的主效抗病位点Fov7,并对Fov7的候选基因进行了验证和功能分析。

  研究发现,Fov7定位的区间包含23个候选基因。进一步分析表明,显著性最高的单核苷酸多态性位点位于一个编码谷氨酸类受体(GLR)基因Gh_D03G0209的编码区,导致该基因胞外结构域有一个氨基酸变异。

  拟南芥GLRs分为三个亚家族。蛋白序列的进化分析表明,陆地棉具有不同于拟南芥GLR三个家族的第四个亚家族GLR4,且Gh_D03G0209属于第四亚家族成员,将其命名为GhGLR4.8。

  研究发现,在高抗枯萎病的棉花品种中抑制GhGLR4.8的表达或通过基因编辑突变GhGLR4.8,都使得棉花品种变得极为感病。根据GhGLR4.8在抗病和感病品种中等位基因的单核苷酸多态性变异,开发了基于PCR扩增的分子标记,并建立了可区别GhGLR4.8抗病基因型和感病基因型的检测体系。

  通过人工分离群体证明,该标记与棉花抗枯萎病共分离,可实现棉花抗枯萎病种质资源的快速筛选与鉴定。

  以上研究证明,棉花抗枯萎病主效基因Fov7编码谷氨酸类受体,是一种新的植物非典型主效抗病基因。该研究完善了植物与病原菌分子互作理论体系,为棉花抗枯萎病分子育种提供了技术支撑,并对棉花抗黄萎病研究提供了借鉴。

  新疆农业科学院经济作物研究所、石河子大学、新疆农垦科学院及英国杜伦大学等国内外多家单位参与了研究工作。项目受到国家自然科学基金和国家重点研发项目的资助。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1002/advs.202002723

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