Brotweizen ist für Millionen von Menschen eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel und offenbar das am häufigsten angebaute und gehandelte Getreide weltweit. Brotweizen ist eine hexaploide Art mit drei Subgenomen (2n = 6x = 42, AABBDD), die zwei separate Allopolyploidisierungs- und Domestizierungsereignisse durchlaufen hat.
Aufgrund der Engpasseffekte 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 bietet eine neuartige natürliche Variation für die moderne Weizenverbesserung.
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 für eine neuartige Tandemkinase mit einer Transmembrandomäne (WTK7-TM) kodiert, die von stammt wilder Emmerweizen.
Die Ergebnisse wurden online veröffentlicht in Naturkommunikation am 10. April.
Pm36 wurde erstmals aus wilden Emmer-Hartweizen-Rückkreuzungs-Introgressionslinien identifiziert und von Wissenschaftlern der Universität Bari, Italien, mithilfe von amplifiziertem Fragmentlängenpolymorphismus, einfacher Sequenzwiederholung (SSR) und exprimiertem Sequenztag (EST) auf den 5BL-Chromosomenarm abgebildet. abgeleitete Hersteller.
Wissenschaftler der China Agricultural University entwickelten etwa im gleichen Zeitraum eine Wild-Emmer-Weichweizen-Rückkreuzungs-Introgressionslinie mit Resistenz gegen Echten Mehltau und kartierten das gleiche Gen mithilfe von polymorphen SSR-, EST-abgeleiteten, mit Sequenzen markierten Standortmarkern, indem sie eine vergleichende Genomanalyse durchführten.
In dieser Studie wurde zum Klonen von Pm36 eine größere Segregationspopulation bestehend aus 31.786 Gameten verwendet, um Pm36 in einem kleinen Genomintervall fein zu kartieren, das nur vier hochsichere Gene 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 exprimierten Gene innerhalb dieses Intervalls durch Agrobacterium-vermittelte Transformation zur funktionellen Charakterisierung separat 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 wilde Emmer-Durum-Introgressionslinie 5BIL-29 mit Pm36 sequenziert, um HiFi-Reads und Hi-C-Reads für die Genomsequenzassemblierung 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 eine mutmaßliche Tandemkinase mit einer vorhergesagten Transmembrandomäne (WTK7-TM) wurde außerdem als Pm36-Gen bestätigt.
Die haplotypische Variationsanalyse 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 wurde in natürlichen Lebensräumen von wildem Emmerweizen im Südosten der Türkei, wo Weizen vermutlich domestiziert wurde, sowie in kultiviertem tetraploiden und hexaploiden Weizen festgestellt dass diese Krankheitsresistenzgene in der Wildnis zurückgelassen und nicht in den Genpool von Kulturweizen integriert wurden.
Die meisten der geklonten Weizenresistenzgene kodieren für intrazelluläre Nukleotid-bindende Leucin-reiche Wiederholungsrezeptorproteine. Weizen-Tandem-Kinase (WTK) wurde kürzlich als neuartiges Resistenzprotein in Weizen und wilden Verwandten für viele Arten von Krankheitsresistenz charakterisiert, darunter Streifenrost, Stängelrost, Blattrost, Echter Mehltau und Weizenbrand.
Pm36/WTK7-TM wurde in wildem Emmerweizen entdeckt und erwies sich als resistent gegen verschiedene Isolate von Blumeria graminis f. sp. tritici. Mit Pm36 wurden fortschrittliche Zuchtlinien mit breitem Resistenzspektrum und hohem Ertragspotenzial entwickelt, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten.
Mehr Informationen:
Miaomiao Li et al, Eine membranassoziierte Tandemkinase aus wildem Emmerweizen verleiht eine Breitbandresistenz gegen Mehltau, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47497-w