馬鈴薯是重要的糧食作物，但病蟲害造成全球減產(chǎn)約17 %。馬鈴薯晚疫病是由病原微生物致病疫霉（Phytophthora infestans）引起的，在19世紀(jì)40年代引發(fā)了愛爾蘭饑荒，至今仍是對(duì)全球馬鈴薯生產(chǎn)危害最大的病害。植物免疫取決于細(xì)胞表面模式識(shí)別受體（PRR）和細(xì)胞內(nèi)免疫受體的病原體識(shí)別，許多抗致病疫霉的R基因（Rpi基因）均是從馬鈴薯的野生近源物種中克隆。
近日，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所林嘯研究團(tuán)隊(duì)、英國(guó)塞恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室Jonathan D.G. Jones團(tuán)隊(duì)、中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)和韓國(guó)首爾大學(xué)Kee Hoon Sohn團(tuán)隊(duì)合作，在Nature Genetics在線發(fā)表題為 “Solanum americanumgenome-assisted discovery of immune receptors that detect potato late blight pathogen effectors” 的研究論文。該研究發(fā)布了四種光果龍葵（Solanum americanum）種質(zhì)的高質(zhì)量參考基因組，建立了光果龍葵-致病疫霉的效應(yīng)物觸發(fā)免疫(ETI)互作全局圖，并成功克隆到3個(gè)新的馬鈴薯晚疫病免疫受體及其對(duì)應(yīng)的效應(yīng)子。野生茄科植物光果龍葵（Solanum americanum）是馬鈴薯和番茄的近源物種，大多數(shù)種質(zhì)對(duì)疫病具有優(yōu)良抗性，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)光果龍葵是馬鈴薯晚疫病良好的抗病基因來(lái)源。利用三代測(cè)序技術(shù)對(duì)4種具有抗晚疫病變異性的光果龍葵種質(zhì)SP1102，SP2271，SP2273和SP2275進(jìn)行高質(zhì)量基因組組裝和注釋。為了研究光果龍葵基因組的進(jìn)化，對(duì)來(lái)自15個(gè)基因組的代表性蛋白質(zhì)序列聚類。物種進(jìn)化樹表明，光果龍葵是馬鈴薯和番茄共同祖先的姐妹物種，并且在大約1410萬(wàn)年前分化出，且染色體重排（CR）是一個(gè)重要的進(jìn)化過(guò)程。此外發(fā)現(xiàn)光果龍葵基因組之間染色體結(jié)構(gòu)變異（SV）是引起和維持表型多樣性的重要原因（圖1）。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建SP1102的NLR蛋白的系統(tǒng)進(jìn)化樹分析，基因表達(dá)熱圖，基因組物理圖譜，發(fā)現(xiàn)71 %的NLR基因成簇分布，多個(gè)已知的NLR基因相對(duì)高表達(dá)，該團(tuán)隊(duì)手動(dòng)注釋了SP1102，SP2271和SP2273基因組的NLR基因（圖2）。此外構(gòu)建了20個(gè)材料的NLR泛基因組，表明此研究中的種質(zhì)代表了光果龍葵NLR庫(kù)。對(duì)3種材料NLR基因注釋和NLR泛基因組對(duì)研究NLR基因進(jìn)化和其他茄科植物ETI的功能研究具有重要作用。對(duì)52份光果龍葵材料進(jìn)行重測(cè)序，52種種質(zhì)可分為四組，該團(tuán)隊(duì)還利用效應(yīng)子組學(xué)(Effectoromics)篩選技術(shù)，完成了52份光果龍葵材料與315個(gè)致病疫霉RXLR類效應(yīng)子的ETI互作全局圖（圖3）。最后利用全基因組關(guān)聯(lián)分析，BSA測(cè)序和抗病基因富集測(cè)序等方法，成功克隆了三個(gè)效應(yīng)子的免疫受體Rpi-amr4，R02860和R04373。并利用CRISPR/Cas9基因編輯獲得敲除株系和煙草中異源表達(dá)進(jìn)行抗病基因功能驗(yàn)證（圖4）。此研究提供了有價(jià)值的基因組和遺傳學(xué)工具，可促進(jìn)對(duì)馬鈴薯晚疫病和其他植物病害的了解和培育抗病品種。圖4 識(shí)別PITG_22825的Rpi-amr4的鑒定與表征—— 參考文獻(xiàn) ——
Lin, X., Jia, Y., Heal, R., et al. Solanum americanum genome-assisted discovery of immune receptors that detect potato late blight pathogen effectors[J]. Nature Genetics, 55, 1579-1588 (2023).
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