DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54068-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39548072
تاريخ النشر: 2024-11-15
المؤلف: Davinder Sharma وآخرون
الموضوع الرئيسي: العوامل الممرضة للنبات وآليات المقاومة
نظرة عامة
تبحث الدراسة في جين ربط النوكليوتيدات الغني بالتكرارات (NLR) Yr87/Lr85، المشتق من Aegilops sharonensis و Aegilops longissima، والذي يوفر مقاومة ضد كل من صدأ الشريط (الناجم عن *P. striiformis tritici*، Pst) وصدأ الأوراق (الناجم عن *Puccinia triticina*، Pt) في القمح. يتميز هذا الجين بوجود منطقتين متميزتين من LRR ويُوجد حصريًا في الأنواع المذكورة من Aegilops. تكشف التحليلات المقارنة أن أحداث تدفق الجينات بين هذه الأنواع تساهم في المقاومة الملحوظة في القمح، مما يبرز أهمية Yr87/Lr85 كمصدر محتمل لتعزيز مقاومة الأمراض في برامج تربية القمح.
تؤكد الدراسة على التهديد المتزايد الذي تشكله أمراض الصدأ على إنتاج القمح، والذي تفاقم بسبب ظهور عزلات مسببة للأمراض عدوانية وظروف بيئية متغيرة. مع تحديد أكثر من 200 جين مقاومة للصدأ في القمح، بما في ذلك حوالي 84 ضد Pt وPst، فإن اكتشاف Yr87/Lr85 يبرز الحاجة إلى مصادر جينية جديدة لتطوير استراتيجيات مقاومة دائمة. تدعو النتائج إلى استخدام الأنواع من مجموعة الجينات الثانوية، مثل Aegilops، في جهود تحسين القمح لمكافحة الزيادة في حدوث أمراض الصدأ بشكل فعال.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد نباتية ومسببة للأمراض متنوعة للتحقيق في آليات المقاومة في القمح. تم الحصول على عينات من Aegilops sharonensis وAe. longissima وAe. tauschii، بالإضافة إلى صنف القمح غاليل (Triticum aestivum L.)، من بنك الجينات هارولد وأديل ليبرمان في جامعة تل أبيب. كانت مجموعة تنوع Ae. sharonensis تتكون من 193 عينة من 24 موقع جمع عبر إسرائيل، بينما تضمنت مجموعة Ae. longissima 380 عينة من 80 موقع، جميعها تم تلقيحها ذاتيًا على مدى ثلاثة إلى خمسة أجيال لضمان الاتساق الجيني. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على صنف القمح Fielder من منشأة أبحاث الجينات الوطنية للحبوب الصغيرة التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية.
شملت عزلات مسببات الأمراض المستخدمة في الدراسة أنواعًا مختلفة من Puccinia triticina (صدأ الأوراق)، Puccinia striiformis (صدأ الشريط)، وPuccinia graminis (صدأ الساق)، بالإضافة إلى Blumeria graminis (العفن البودري). تم الحصول على هذه العزلات من مختبرات ومؤسسات متعددة، مما يضمن تمثيلًا شاملاً لتنوع مسببات الأمراض. اتبعت التسمية لمسببات الأمراض الرمز المحدث للمضيفات التفاضلية في أمريكا الشمالية، مما يسهل التواصل القياسي بشأن عوامل الفوعة وعدم الفوعة. تدعم هذه الإطار المنهجي استكشاف المقاومة الجينية في القمح ضد هذه المسببات المهمة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النتائج الناتجة عن اختبارات متنوعة، مع تسليط الضوء على النتائج الإحصائية المهمة، والاتجاهات، والأنماط الملحوظة في البيانات. قد يتضمن القسم نتائج عددية، مثل المتوسطات، والانحرافات المعيارية، وقيم p، التي تدعم الفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة سابقًا في الدراسة.
بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم استخدام وسائل بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح النتائج بوضوح، مما يسمح بتفسير أسهل للبيانات المعقدة. يتم مناقشة النتائج بالنسبة للأدبيات الموجودة، مع التأكيد على آثارها والتطبيقات المحتملة ضمن المجال. بشكل عام، يخدم هذا القسم في التحقق من أهداف البحث والمساهمة في الفهم الأوسع للموضوع قيد التحقيق.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استنساخ جين Yr87/Lr85، المسؤول عن المقاومة لصدأ الأوراق وصدأ الشريط في القمح، من *Aegilops sharonensis* وتم إدخاله في صنف القمح غاليل. تم تحديد المقاومة في منطقة 17 ميغاباز على الكروموسوم 6B-6S، ومن خلال التحوير باستخدام EMS لخط D42، تم التعرف على 16 خط M3 كعرضة لكلا المسببين، مما يؤكد أن المقاومة أحادية الجين. أدى نهج النسخ الطفري إلى تحديد جين مرشح واعد، TRINITY_DN6116_c0_g1، الذي يشفر بروتينًا يحتوي على موقع ربط النوكليوتيدات (NBS) ومناطق غنية بالتكرارات (LRR). أظهر التثبيط الجيني الناتج عن الفيروس (VIGS) أن هذا الجين ضروري للمقاومة، مما أدى إلى التعيين المؤقت لـ Yr87/Lr85.
أظهر الاستكشاف الإضافي لـ *Aegilops longissima* جين مقاومة للصدأ مشابه، تم تعيينه أيضًا Yr87/Lr85، مع تسلسلات متطابقة تقريبًا لتلك الموجودة في *A. sharonensis*. أظهرت خطوط القمح المعدلة وراثيًا التي تعبر عن النسخة من *A. longissima* مقاومة متغيرة لمسببات الأمراض، مما يشير إلى أن وجود الإنترونات أمر حاسم للتعبير الجيني الفعال. تُصنف المقاومة التي يوفرها Yr87/Lr85 على أنها مقاومة لجميع المراحل، فعالة في كل من الشتلات والنباتات البالغة، وهي محددة لصدأ الأوراق وصدأ الشريط، دون ملاحظة أي فعالية ضد صدأ الساق أو العفن البودري. تختتم الدراسة بأن Yr87/Lr85 يمثل حالة نادرة لجين NLR مستنسخ يوفر مقاومة لعدة مسببات أمراض، مما يبرز إمكانيته في برامج تربية القمح.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-54068-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39548072
Publication Date: 2024-11-15
Author(s): Davinder Sharma et al.
Primary Topic: Plant pathogens and resistance mechanisms
Overview
The research investigates the Nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) gene Yr87/Lr85, derived from Aegilops sharonensis and Aegilops longissima, which provides resistance against both stripe rust (caused by *P. striiformis tritici*, Pst) and leaf rust (caused by *Puccinia triticina*, Pt) in wheat. This gene is characterized by two distinct LRR domains and is exclusively found in the aforementioned Aegilops species. Comparative analyses reveal that gene flow events between these species contribute to the resistance observed in wheat, highlighting the significance of Yr87/Lr85 as a potential resource for enhancing disease resistance in wheat breeding programs.
The study underscores the increasing threat posed by rust diseases to wheat production, exacerbated by the emergence of aggressive pathogen isolates and changing environmental conditions. With over 200 designated rust resistance genes identified in wheat, including approximately 84 against Pt and Pst, the discovery of Yr87/Lr85 emphasizes the need for new genetic sources to develop durable resistance strategies. The findings advocate for the utilization of secondary gene pool species, such as Aegilops, in wheat improvement efforts to combat the rising incidence of rust diseases effectively.
Methods
In this study, various plant and pathogen materials were utilized to investigate resistance mechanisms in wheat. Accessions of Aegilops sharonensis, Ae. longissima, and Ae. tauschii, along with the wheat cultivar Galil (Triticum aestivum L.), were sourced from the Harold and Adele Lieberman Germplasm Bank at Tel Aviv University. The Ae. sharonensis diversity panel comprised 193 accessions from 24 collection sites across Israel, while the Ae. longissima panel included 380 accessions from 80 sites, all self-fertilized over three to five generations to ensure genetic consistency. Additionally, wheat cv. Fielder was obtained from the USDA-ARS National Small Grains Germplasm Research Facility.
Pathogen isolates used in the study included various races of Puccinia triticina (leaf rust), Puccinia striiformis (stripe rust), and Puccinia graminis (stem rust), as well as Blumeria graminis (powdery mildew). These isolates were sourced from multiple laboratories and institutions, ensuring a comprehensive representation of pathogen diversity. The nomenclature for the pathogens followed the updated code for North American differential hosts, facilitating standardized communication regarding virulence and avirulence factors. This methodological framework supports the exploration of genetic resistance in wheat against these significant pathogens.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of various tests, highlighting significant statistical results, trends, and patterns observed in the data. The section may include numerical results, such as means, standard deviations, and p-values, which support the hypotheses or research questions posed earlier in the study.
Additionally, visual aids like graphs or tables are often employed to illustrate the results clearly, allowing for easier interpretation of complex data. The findings are discussed in relation to existing literature, emphasizing their implications and potential applications within the field. Overall, this section serves to validate the research objectives and contribute to the broader understanding of the topic under investigation.
Discussion
In this study, the Yr87/Lr85 gene, responsible for resistance to leaf and stripe rust in wheat, was cloned from *Aegilops sharonensis* and introgressed into the wheat cultivar Galil. The resistance was localized to a 17-Mb region on chromosome 6B-6S, and through EMS mutagenesis of the D42 line, 16 M3 lines were identified as susceptible to both pathogens, confirming that the resistance is monogenic. A mutational transcriptomics approach led to the identification of a promising candidate gene, TRINITY_DN6116_c0_g1, which encodes a protein with nucleotide-binding site (NBS) and leucine-rich repeat (LRR) domains. Virus-induced gene silencing (VIGS) demonstrated that this gene is essential for resistance, leading to the temporary designation of Yr87/Lr85.
Further exploration of *Aegilops longissima* revealed a similar rust-resistance gene, also designated Yr87/Lr85, with nearly identical sequences to that from *A. sharonensis*. Transgenic wheat lines expressing the *A. longissima* version showed variable resistance to rust pathogens, indicating that intron presence is crucial for effective gene expression. The resistance conferred by Yr87/Lr85 is characterized as all-stage resistance, effective in both seedlings and adult plants, and is specific to leaf and stripe rust, with no observed efficacy against stem rust or powdery mildew. The study concludes that Yr87/Lr85 represents a rare case of a cloned NLR gene providing resistance to multiple pathogens, highlighting its potential utility in wheat breeding programs.