广谱高抗小麦抗白粉病基因Stpk-V的抗性机理及应用研究

广谱高抗白粉病基因在基因工程育种中具有重要利用价值。本项目组在前期研究中克隆到一个广谱高抗白粉病基因Stpk-V,对该基因的物理定位、瞬间表达、基因沉默和稳定转化研究表明Stpk-V是簇毛麦广谱抗白粉病基因Pm21位点上的关键成员。Stpk-V在大麦表皮细胞的瞬间表达结果表明该基因也可提高大麦对白粉病的抗性。本项目将综合利用瞬间表达、基因沉默、基因芯片杂交、酵母双杂，研究Stpk-V与感病基因之间的序列差异与功能的关系、分离其互作蛋白、筛选基因转化后引起哪些下游表达的基因；利用基因枪稳定转化技术，创造多个背景不同的抗病新种质；同时，利用瞬间表达技术和基因沉默技术，评价Stpk-V在大麦中对大麦白粉菌抗性的作用、在小麦中对大麦白粉菌非寄主抗性的作用。本项目将从上述抗性机制研究及应用研究的角度开展多方面的研究，从而阐明Stpk-V的抗性机理，并创造多个抗病转基因材料。

广谱高抗白粉病基因在基因工程育种中具有重要利用价值。本项目前期研究中克隆到一个广谱抗白粉病基因Stpk-V，对该基因的物理定位、瞬间表达、基因沉默和稳定转化研究表明Stpk-V是簇毛麦广谱抗白粉病基因Pm21位点的关键成员。由于Pm21在生产上广为使用，所以研究Stpk-V的抗性机制具有重要的理论意义和实践价值。为了在抗病育种上利用Stpk-V、解析Stpk-V的抗病机制，本项目进一步对Stpk-V转基因小麦的抗谱进行了鉴定，同时对Stpk-V与普通小麦同源基因的差异、Stpk-V基因的进化、Stpk-V的作用机制、Stpk-V转入普通小麦后可引起哪些下游基因表达发生变化及下游基因的功能、Stpk-V转入大麦和拟南芥后对大麦和拟南芥白粉菌抗性的改变、Stpk-V的互作蛋白等进行了深入研究。研究结果表明：1、Stpk-V可以对近30个白粉菌生理小种的产生高抗，其导入不同遗传背景的感病小麦均可提高其抗病性，抗性效应稳定；2、该基因在定位于小麦不同外源物种的第六同源群上，序列比对表明该基因在禾本科物种中高度保守；3、该基因导入与小麦具有一定亲缘关系的大麦后，也可提升大麦的白粉菌抗性，而导入拟南芥后却不能提升对拟南芥白粉菌的抗性，说明该基因在小麦/大麦-Bgt/Bgt互作体系中可以同时发挥抗病作用，该基因的抗病效应可能在大麦白粉菌和小麦白粉菌分化之前就已经存在；4、Stpk-V基因转入感病小麦中并不引起过敏性坏死，而是当植株接触到白粉菌后立即启动防卫反应，发挥抗病效应，推测可能是该基因在与白粉菌效应因子互作后从非活性状态转变成活性状态，从而启动了防卫反应而不影响植株的正常生长；5、SA、JA、钙信号途径参与了Stpk-V基因介导的广谱抗性；6、通过基因克隆和转基因功能鉴定，揭示了下游基因TaNAC和TaMAPKc参与了Stpk-V介导的广谱抗性机制，通过本项目研究，解析了Stpk-V介导的广谱抗性机制和重要的参与调控基因，进一步明确该基因在育种中具有重要利用价值。