小麦抗叶锈病基因
Genotypes H1 and H2 are two ancient haplotypes on
小麦是全球主要粮食作物之一, 种植面积仅次于玉米。叶锈病是小麦的主要病害之一, 发病严重时可减产50%[1]。小麦叶锈病的病原菌为 Puccinia triticina , 具有小种专化性, 对不同小麦品种具有不同的致病性[2]; 但病原小种易发生变异, 致使抗病品种丧失抗性, 特别是大面积推广品种都高抗当时流行的生理小种, 加速了病原菌的定向选择和新生理小种的形成。因此, 研究抗叶锈基因在小麦品种(系)中的多样性和分布规律, 对合理利用抗叶锈病基因资源, 延缓抗病品种的抗性丧失具有重要意义。
抗叶锈基因 Lr10 位于小麦1A染色体短臂上[3,4],与另一抗病基因同源序列 RGA2 紧密连锁, 在该位点存在H1和H2两种古单倍型[3]。H1古单倍型含有完整的 Lr10 基因及与其紧密连锁的 RGA2 基因, H2型仅含有 RGA2 的部分序列, 缺失 RGA2 的5′端部分序列及全部 Lr10 序列[3,4,5,6]。群体遗传学研究表明, 这两种古单倍型原存在于一粒小麦( Triticum urartu )和野生二粒小麦( T. dicoccoides )中[3,4,5,6]。在小麦进化和选育过程中, Lr10 基因在普通小麦中被保留下来, 并对叶锈菌菌株( AvrLr10 ) 89-201 CBTB(TX)表现抗性[5]。Stein等[5]检测了 Lr10 古单倍型在56份欧洲小麦品系中的分布规律, 发现H1古单倍型的比例为14.29% (8/56), H2古单倍型的比例为85.71% (48/56), 说明H2古单倍型是欧洲普通小麦的主要类型。Isidore等[6]设计了4对H2单倍型的特异引物(A、B、C和B_3kb)用于研究不同倍性小麦中H2单倍型的保守性, 共检测出3种H2亚型, 在欧洲普通小麦中仅检测出2种H2亚型。尽管前人对 Lr10 基因位点的两种古单倍型及其亚型在小麦中的分布规律已有较多研究, 但 Lr10 基因位点在中国小麦品种中的分布规律未见报道。
小麦育种过程中多选用少数综合性状好、配合力好的品种为亲本, 并以高产、优质、抗病虫和抗旱等为主要育种目标对后代进行更强有力的选择。这种强目的性的人工选择必将强化基因的瓶颈效应, 导致育成品种遗传基础变窄, 遗传多样性降低。与古老的地方品种和野生品种相比, 现代育成品种遗传多样性明显降低。为评价 Lr10 基因位点在中国小麦品种中的遗传多样性及可能经历的遗传瓶颈效应, 本研究选用247份中国小麦品种(系), 检测 Lr10 基因位点的古单倍型及其等位基因的遗传变异, 旨在阐明 Lr10 基因位点的H1和H2古单倍型在小麦驯化过程中的遗传瓶颈效应, Lr10 基因位点在中国小麦品种(系)中的等位变异及其遗传多样性, 及 Lr10 基因位点的多样性机制。
189个小麦育成品种和58个高代品系(见附表), 均由国家小麦改良中心泰安分中心提供。189个育成品种包括山东103份、河北31份、河南22份、陕西10份、江苏7份、山西5份、北京4份、安徽2份、宁夏2份, 以及西藏、新疆和云南各1份; 58个高代品系均由国家小麦改良中心泰安分中心近年新育成。2011—2012年, 将所有品种(系)种植于山东农业大学试验站, 每个材料种植3行, 行长3.00 m, 行宽0.26 m, 四周各有1 m保护行。生育期间肥水按高产田管理, 未进行药剂防治病害, 小麦亦未发生倒伏。
1.2 Lr10 基因位点相关片段的PCR扩增
采用Doyle和Doyle[7]的方法从小麦幼苗提取的基因组DNA。采用引物Control[6]和rga1Pro[8], 通过PCR扩增检测H1和H2单倍型, 其中引物Control (表1)用于扩增H1和H2两种单倍型的共同序列(图1), 引物rga1Pro (表1)特异性扩增 Lr10 基因的5′端非编码区及部分5′端编码区, 只在H1型个体中有扩增产物(图1)。引物ThLr10_T/P、ThLr10_E/H和ThLr10_G/J[9]用于检测H1的亚型; 而引物A、B、C和B_3k[6]用于检测H2的亚型。所有引物均由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
在T-gradient Thermal Cycler (Bio-metra)上, 按已报道的方法[6,8,9]进行PCR扩增。扩增产物经琼脂糖电泳后, 1%~2%溴化乙锭染色, 用Bioshine GelX 1650凝胶成像系统(上海欧翔科学仪器有限公司)观察、照相、读带。
小麦品种或品系中均检测到H1和H2两种古单倍型(图2), 但两种古单倍型的发生频率有显著差异(表3)。在189份小麦品种中, 有180份材料的古单倍
型为H2, 占供试品种的95.2%, 仅有9份材料含有H1单倍型, 占供试品种的4.8%; 在58份高代品系中, H2和H1单倍型的频率分别为96.6% (56/58)和3.5% (2/58)。
在来自山东、河北、河南和陕西的育成品种 中, H2-1型( P =0.2701)和H2-2型( P =0.51715)与育成地没有相关性, H2-3 ( P =0.04701)、H2-4 ( P = 0.0464)、H2-5 ( P =0.0397)和H2-7型( P =0.0100)与育成地有显著相关。H2-1和H2-2型广泛分布于这4个省, H2-3和H2-4型仅分布在山东, H2-5型分布在山东、河南和陕西, H2-7型仅分布在河北(图3); 而H2-6型在这4个省份中都没有分布, 仅在江苏的小麦品种中检测到(见附表)。总之, 除基因型H2-1和H2-2外, 其他基因型与其育成地存在显著相关性( P< 0.05)。
长期的自然选择和人工驯化最终将导致小麦基因的遗传多样性降低[11]。尽管如此, 小麦基因组通过其可塑性可以弥补这种瓶颈效应。Dubcovsky和Dvorak[12]指出, 小麦可以通过其A、B和D基因组的基因补偿效应来弥补基因瓶颈效应造成的不良后果, 杂交育种可以使新育成的小麦获得优于亲本的基因型, 杂交后代通过基因突变、重组、缺失等方式也可以形成全新的基因型。Stein等[5]和Isidore等[6]的研究也表明, 小麦的抗病基因同样经历了类似的遗传瓶颈效应, 但这些抗病基因经历瓶颈效应的程度和可能获得的新基因并没有得到深入研究。
Lr10 基因是小麦中4个已测序抗叶锈病基因之一[4](http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/), 全长为3935 bp, 与其他抗叶锈病基因序列的相似度较低[4]。该基因编码919个氨基酸长度的CC-NBS-LRR类型蛋白质[9], 在蛋白CC结构域的N端经历多样性选择(diversifying selection)[13]。另一抗病基因同源序列 RGA2 与 Lr10 基因紧密连锁, 是 Lr10 基因表现出抗性必需的调控基因[13]。陈万权和王剑雄[14]采用基因推导法在来自世界各地的76个小麦种质资源中鉴定出4个材料含 Lr10 基因; 丁艳红等[15]采用STS分子标记在28个小麦微核心种质中鉴定出2个材料含 Lr10 基因。本研究在189份小麦品种中仅鉴定出9个同时含有 Lr10 基因和 RGA2 基因的品种, 其中2个品种含有 Lr10 基因和缺失的 RGA2 基因(表3); 在58份小麦品系中没有鉴定出同时含有完整 Lr10 基因和 RGA2 基因的材料, 仅有2个品系同时含有 Lr10 基因和缺失的 RGA2 基因(表3)。上述研究结果表明, Lr10 基因经历了强烈的瓶颈效应, 推测导致这种结果的原因有2个: 其一, 当前流行的叶锈病菌已经对 Lr10 基因产生抗性, 因而, 小麦抗病育种工作者已不选育含有此基因的材料[2]; 其二, Lr10 基因可能对某些稀有致病小种或未知种有抗性, 但对当前流行的叶锈病病原菌没有效果, 且该基因的表达对产量或其他农艺性状有负面效应, 最终导致育种工作者不选育含有此基因的材料[4]。我们认为这两种解释都有其合理性, 同时也认为国内外学者采用研究方法的不同也可能导致上述解释的差异。
Isidore等[6]发现, 欧洲小麦中 Lr10 位点的H2-1型占优势。本研究检测结果表明, 该亚型在中国小麦中也有最高的发生频率, 其次是是H2-2 (表3), 同时也说明, H2-1基因型可能是世界性的优势基因型, 但导致H2-1基因型占优势的原因还需进一步探究。另外, Lr10 位点的瓶颈效应说明需要保护那些基因型发生频率低的材料, 如含H1-1基因型的材料, 这类材料含有较完整的 Lr10 基因和 RGA2 基因。
致病菌的高度变异为植物抗病基因的进化提供了很强的自然选择压, 关于两者的相关性主要有2种假说, 即trench-warfare模型[16]和arm-race模型[17]。前者认为抗病基因进化形成的多样性依赖于致病菌的变异频率, 频率高时抗病基因的多样性高, 频率低时抗病基因的多样性低, 在此模型下, 抗病基因的多样性较高, 可以形成新基因和保留已有基因, 如拟南芥中的基因 Rpm1[16]、 RPP8[17]、 RPP13 等[17]; 后者是birth-death模型[18]的补充完善, 强调抗病基因的多样性有明显的方向性, 即选择更具抗性的基因, 在此模型下, 抗病基因的多样性很低, 有明显的方向性, 如番茄中对尖孢镰孢菌( Fusarium oxysporum )产生抗性的抗病基因[19]。 Lr10 基因的进化模式为trench-warfare模型, 在野生群体中具有较高的遗传多样性[4,20]。Sela等[20]推测重组使 Lr10 基因具有较高的多样性; Isidore等[6]推测逆转录子的插入、转座子的缺失以及 Lr10 基因与 RGA2 基因间元件的不等重组等事件形成H2古单倍型; Isidore等[6]还推测H2和H1古单倍型之间非常稳定, 不会发生重组。本研究的结果支持Sela等[20]的结论, 即H2和H1古单倍型确实存在于小麦品种中, 而且H2-1和H2-2基因型分布广泛并相对稳定, 同时又修正了Isidore等[6]关于重组不能发生在H2和H1古单倍型之间的推断。
本研究鉴定出了5个新的单倍型亚型(H1-2、H2-4、H2-5、H2-6和H2-7, 见附表), 证明了重组机制在小麦育种过程中持续存在, 杂交育种可以创造出新的 Lr10 基因型。本研究结果证明, 在小麦育种过程中确实有些材料丢失了 Lr10 基因、 RGA2 基因及两基因间的元件, 但小麦通过重组机制可以产生新基因型, 以获得基因的可塑性来创造新的抗病性状。
247份中国小麦育成品种和高代品系中H2型为优势基因型, 其中H2-1型出现频率最高。在育成品种中发现5个新单倍型亚型, 分别是H1-2、H2-4、H2-5、H2-6和H2-7, 其频率分别为1.1%、1.1%、2.1%、0.5%和1.6%。在现代小麦品种中, H1古单倍型所占比例低于5%, 亟需进行遗传资源保护。