大豆复合抗病基因位点与不同病原的协同演化机制

The plant resistance genes (R genes) are often clustered together, forming many complex R gene loci in plant genomes. Different members of a complex R gene locus often exhibit variable evolutionary patterns, suggesting different pathogen-resistance functions. However, due to a limited understanding on the evolutionary background of relevant pathogens, it is hard to conduct a systematic study to survey the functional differences of variable members in a complex R gene locus by using diversified pathogens. In this proposal, based on thorough investigations on the evolution of legume R genes and two relevant virus pathogens in our pervious studies, we are aiming to tackle this question. The complex R gene locus in soybean, Rsv1, will be studied and multiple strains of soybean mosaic virus (SMV) and bean common mosaic virus (BCMV) are available to use. Multiple works, including evolutionary analyses, phenotype testing, gene mapping, functional verification via transgenic techniques, will be conducted to reveal a long-term coevolution story between soybean Rsv1 locus and multiple relevant virus pathogens.

在植物基因组中，抗病基因（简称R基因）大多聚集在一起成簇分布，形成复合位点，其不同成员往往呈现出差异性的演化模式，因而被怀疑具备不同的抗病功能。但遗憾的是，由于对相关病原的演化背景认知有限，目前很少有研究能够利用多样化的病原，从整体上对复合R基因位点（多个不同成员）展开多方位的功能验证与协同演化研究。针对于此，本项目立足于我们前期详细调查豆科植物R基因及多种相关病原演化背景的工作基础，选取有重要经济价值的大豆为研究对象，以其中的抗病毒复合R基因位点Rsv1为例，利用两种已分化的病毒性病原：大豆花叶病毒（Soybean mosaic virus, SMV）和菜豆普通花叶病毒（Bean common mosaic virus, BCMV）的多个代表性株系，通过演化模式分析、抗性鉴定与基因定位、转基因功能验证，及追溯基因功能化过程等多个层次的工作，有效探索复合R基因位点与不同病原的协同演化机制。

在植物基因组中，抗病基因（R基因）常以多基因聚集的方式形成复合位点。为了有效探究植物复合R基因位点演化出对抗不同病原功能的分子机制，本项目选取大豆Rsv1抗病毒复合位点，针对其对抗两种病原大豆花叶病毒（Soybean mosaic virus, SMV）与菜豆普通花叶病毒（Bean common mosaic virus, BCMV）的功能演化过程开展了多层次研究。首先，我们分析调查了Rsv1复合位点在大豆中的遗传组成及其演化模式，发现了呈现演化活跃状态的亚家族；其次，利用从我国三个大豆产区收集、鉴定的多样化SMV、BCMV病原对不同大豆品种进行表型鉴定，根据其鉴定结果选择三个抗性品种PI 96983、Suweon 97、及Raiden与感性品种Williams 82分别构建了PW、SW及RW三个抗、感杂交群体，从而对三个品种中的抗SMV基因、以及Suweon 97与Raiden两个品种中的抗BCMV基因进行了精细定位。除了在PI 96983品种中发现了与前人一致的一个抗SMV基因所在区间外，我们还发现了一个全新的兼抗SMV、BCMV多个株系的区间。第三，我们针对PI 96983抗SMV定位区间中的两个候选基因开展了转基因功能验证工作，结果表明这两个基因均可以在感性品种Williams 82背景下，独立提供对SMV株系SC6-N的抗性，但不能对抗BCMV株系HZZB011，这与定位数据一致。最后，选取两个定位区间内的四个R基因成员在更多大豆抗、感品种中进行了调查，发现这些R基因成员的LRR区存在一段234bp的重复单元，其数目在不同基因及不同大豆品种间常发生差异，暗示重组事件常围绕这段序列发生并被选择保存下来；此外，这些R基因在抗、感品种间还存在大量单碱基替代以及插入/缺失突变，分析表明其分化受到正选择作用，暗示大豆不同品种可能分别继承了野生祖先中的抗、感基因或是在品种培育过程中演化出新的抗病功能。综合来看，本项目的研究发现将帮助我们更好地理解复合R基因位点的演化特点，所发现的新的抗病毒基因也为后续合理利用这些基因资源奠定了基础。