抗白粉病黑麦微小染色体的结构及遗传机制研究

Powdery mildew is one of the most important diseases in wheat producing regions. Resistant gene to powdery mildew derived from 6RL chromosome arm of rye displays broad-spectrum resistance to most of the prevalent isolates of powdery mildew in our country. However，this powdery mildew resistant gene has not been used in wheat cultivars because 6R chromosome has adverse effects on agronomic traits. Wheat-rye 6RL minichromosome addition lines with powdery mildew resistance were created. The 6RL minichromosomes could resolve this problem because it affords a new way for utilizing the elite genes from 6R chromosome. In this project, technologies SLAF-Seq,RNA-Seq,in situ hybridization and immunolocalization will be used to investigate the structure and hereditary mechanism of the minichromosomes. In addition, the effect of the minichromosomes on important agronomic traits of wheat will also be investigated. The results will prompt the progress of utilizing the powdery mildew resistant gene from 6RL and enrich the theoretical basis of utilization of engineered plant minichromosome in crop breeding.

白粉病是小麦重要病害之一，黑麦6RL染色体上携带的白粉病抗性基因对我国多数白粉菌优势菌系表现优异抗性。然而，由于6R染色体对小麦农艺性状存在不良影响，导致该抗性基因还未被成功应用到小麦育种中。我们创制了抗白粉病的新型小麦-黑麦6RL微小染色体附加系，提供了6RL染色体上优异抗性基因遗传和应用的新途径，可望解决这一难题。本项目将利用育成的这些材料，综合采用SLAF-Seq、RNA-Seq、原位杂交和免疫共定位技术，分析抗病微小染色体的结构特点，阐明抗病微小染色体在不同小麦背景中的遗传机制及其对小麦重要农艺性状的影响。研究结果将推动黑麦6RL白粉病抗性基因在小麦育种中的应用进程，同时丰富植物工程微小染色体在作物育种中应用的理论基础。

白粉病是小麦重要病害之一，黑麦6RL染色体上携带的白粉病抗性基因目前仍具广谱抗性。由于连锁累赘和遗传不平衡的影响，该抗病基因还未被成功应用。本项目利用抗白粉病的小麦-黑麦6RL微小染色体附加系，考察6RL微小染色体对农艺性状的影响，创制抗白粉病的新型易位系；研究微小染色体的减数分裂行为和传递规律；研究微小染色体结构、着丝粒活性；对微小染色体减数分裂转录组测序、研究减数分裂相关基因的表达；改进小麦背景中黑麦染色体的鉴定方法。获得了3个不同小麦背景的、抗白粉病的6RL微小染色体附加系共150份，明确了微小染色体对重要农艺性状没有负面影响；创制了抗白粉病的6DL/6RLKumi119、6BS.6BL-6RLKu和2BS.2BL-6RLKu小片段易位系。不同来源的6RL微小染色体减数分裂正常配对频率和传递频率存在显著差异；开发了300对定位于6RL 5个区段的特异分子标记；开发了16对6RL微小染色体特异分子标记，将11条黑麦scaffolds序列定位于6RL微小染色体。克隆了新的黑麦着丝粒特异序列，明确了6RL微小染色体着丝粒序列结构特征，发现6RL微小染色体着丝粒结构存在差异，微小染色体着丝粒都有活性；减数分裂转录组测序获得了149个差异转录本，但没有找到与微小染色体的传递率差异有明显联系的基因，发现着丝粒结构不同可能是导致微小染色体传递率不同的主要原因。开发了3条能用于非变性荧光原位杂交（ND-FISH）分析的寡核苷酸探针，能代替基因组原位杂交（GISH）技术，准确、快速的鉴定小麦背景中的黑麦染色体。研究结果为外源有利基因在小麦育种中的应用以及人工染色体的构建提供了一定的理论指导，即：利用携带功能基因的外源微小染色体创制小麦-异源小片段易位系可能更容易实现应用，人工染色体构建过程中，着丝粒序列的选择可能是保证染色体正常传递的重要因素。创制的小麦-黑麦6RL小片段易位系具有较好的应用前景。新寡核苷酸探针的开发，提高了鉴定小麦背景中黑麦染色体的效率。