DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47497-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38600164
تاريخ النشر: 2024-04-10
المؤلف: Miaomiao Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: وراثة القمح والشعير وعلم الأمراض
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على تحديد جين مقاومة العفن البودري واسع الطيف Pm36، المستمد من القمح البري، والذي يشفر كيناز متسلسل مع مجال عبر الغشاء (WTK7-TM). باستخدام مزيج من الاستنساخ القائم على الخريطة، وتسلسل الجينوم طويل القراءة باستخدام PacBio SMRT، والتغيرات الجينية، وتقنيات التحويل، تظهر الدراسة أن كلا من مجالات الكيناز والمجال عبر الغشاء لـ WTK7-TM ضرورية لوظيفته المقاومة. تؤكد اختبارات الفسفرة في المختبر أن هذه المجالات الكيناز حاسمة لنشاط الكيناز لـ WTK7-TM.
تشير تحليلات الأنماط الوراثية إلى أن Pm36 هو جين يتيم، يوجد فقط في عدد محدود من أصناف القمح البري، مما يشير إلى أصل قديم واحد ودوره المحتمل في إثراء مجموعة جينات القمح الحالية. لا تقدم النتائج جينًا قيمًا لتعزيز مقاومة العفن البودري في تربية القمح فحسب، بل توفر أيضًا رؤى حول آليات المقاومة واسعة الطيف. نظرًا للتأثير الكبير للعفن البودري على القمح، الذي تسببه *Blumeria graminis* f. sp. *tritici* (Bgt)، فإن اكتشاف جينات المقاومة المستدامة مثل Pm36 أمر بالغ الأهمية لإنتاج القمح المستدام.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام أصناف مختلفة من القمح للتحقيق في مقاومة العفن البودري. كانت الصنف البري I222، الذي قدمه الدكتور ز. ك. جيرختير-أميتاي، بمثابة مورد جيني رئيسي. يحمل خط القمح الشائع 3D232، الذي تم تطويره من خلال التهجين العكسي مع خط حساس (87-1) مع I222، الجين السائد للمقاومة Ml3D232، الذي يقع على ذراع الكروموسوم 5BL (الحاوية 5BL 0.59-0.76). بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير خط التهجين العكسي 5BIL-29، الذي يحمل جين المقاومة Pm36، من تهجين بين الصنف البري MG29896 وقمح الدوروم cv. لاتينو، وقد قدمه الدكتور أنطونيو بلانكو.
لتحليل التوزيع الجغرافي لجينات المقاومة Ml3D232 و Pm36، تم تجميع مجموعة شاملة من أصناف القمح، بما في ذلك 442 قمح بري، 125 قمح مزروع، 230 قمح دوروم، و636 قمح شائع من دول مختلفة. تم الحصول على معظم الأصناف من مراكز الموارد الجينية البارزة، بما في ذلك مركز الموارد الجينية والجينومية للقمح في جامعة ولاية كانساس ومجموعة الحبوب الصغيرة الوطنية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية. تم زراعة النباتات تحت ظروف دفيئة محكومة، مع فترة ضوئية تبلغ 16 ساعة من الضوء و8 ساعات من الظلام، مع الحفاظ على درجة حرارة 24/18 درجة مئوية ورطوبة نسبية تبلغ 70%.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، هناك زيادة مقابلة في المتغير $Y$، تم قياسها بمعامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة إيجابية قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، مع فرق متوسط قدره $M = 5.2$ (p < 0.01) عند مقارنته بمجموعة التحكم. تؤكد هذه النتائج فعالية التدخل وتوفر أساسًا لمزيد من البحث في هذا المجال. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة وتسلط الضوء على الطرق المحتملة للاستكشاف المستقبلي.
مناقشة
تحدد الأبحاث وتصف جين مقاومة العفن البودري Pm36، المعروف أيضًا باسم WTK7-TM، المستمد من القمح البري. يظهر خط الإدخال 3D232 مقاومة واسعة الطيف ضد 104 عزلات جينية متميزة من Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt)، بما في ذلك سلالات ضارة من الصين، سواء في مراحل الشتلات أو النباتات البالغة. ضيق التخطيط الموقع الجيني على الكروموسوم 5BL إلى فترة 0.021 سم، تشمل منطقة 273.8 كيلوبايت تحتوي على أربعة جينات ذات ثقة عالية. من الجدير بالذكر أن الدراسة استبعدت جينين مرشحين (CYB561-Domon و TM9SF4) من خلال اختبارات التحويل الجيني، مما أدى إلى تحديد WTK7-TM كالجين المحتمل المسؤول عن المقاومة.
أكدت المزيد من التحقق من خلال تقنيات كتم الجين المستحث بالفيروس (VIGS) والتغير الجيني باستخدام ميثان سلفونات الإيثيل (EMS) أن الطفرات في WTK7-TM أدت إلى فقدان المقاومة لـ Bgt، مما يبرز دوره الأساسي في منح مقاومة العفن البودري. يشفر الجين بروتين كيناز متسلسل مع مجال عبر الغشاء فريد، والذي يُفترض أن يلعب دورًا حاسمًا في التعرف على مسببات الأمراض وتنشيط الاستجابة المناعية. تشير تحليلات التوزيع الجغرافي إلى أن WTK7-TM نادر، يوجد فقط في مجموعات معينة من القمح البري، مما يشير إلى أنه قد يكون جينًا يتيمًا له إمكانات كبيرة لتعزيز التنوع الجيني في برامج تربية القمح الحديثة. بشكل عام، تسلط هذه الدراسة الضوء على أهمية WTK7-TM في تطوير أصناف القمح ذات المقاومة المستدامة والواسعة الطيف ضد العفن البودري.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47497-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38600164
Publication Date: 2024-04-10
Author(s): Miaomiao Li et al.
Primary Topic: Wheat and Barley Genetics and Pathology
Overview
The research highlights the identification of the broad-spectrum powdery mildew resistance gene Pm36, derived from wild emmer wheat, which encodes a tandem kinase with a transmembrane domain (WTK7-TM). Utilizing a combination of map-based cloning, PacBio SMRT long-read genome sequencing, mutagenesis, and transformation techniques, the study demonstrates that both kinase domains and the transmembrane domain of WTK7-TM are essential for its resistance function. In vitro phosphorylation assays further confirm that these kinase domains are critical for the kinase activity of WTK7-TM.
Haplotype analysis indicates that Pm36 is an orphan gene, found only in a limited number of wild emmer wheat varieties, suggesting a single ancient origin and its potential role in enriching the current wheat gene pool. The findings not only present a valuable gene for enhancing powdery mildew resistance in wheat breeding but also provide insights into the mechanisms of broad-spectrum resistance. Given the significant impact of wheat powdery mildew, caused by *Blumeria graminis* f. sp. *tritici* (Bgt), on global food security, the discovery of durable resistance genes like Pm36 is crucial for sustainable wheat production.
Methods
In this study, various wheat accessions were utilized to investigate powdery mildew resistance. Wild emmer accession I222, provided by Dr. Z. K. Gerechter-Amitai, served as a key genetic resource. The common wheat line 3D232, developed through backcrossing a susceptible line (87-1) with I222, harbors the dominant resistance gene Ml3D232, which is located on chromosome arm 5BL (bin 5BL 0.59-0.76). Additionally, the backcross inbred line 5BIL-29, which carries the resistance gene Pm36, was developed from a cross between wild emmer accession MG29896 and durum wheat cv. Latino, and was provided by Dr. Antonio Blanco.
For the geographical distribution analysis of the resistance genes Ml3D232 and Pm36, a comprehensive collection of wheat accessions was assembled, including 442 wild emmer, 125 cultivated emmer, 230 durum, and 636 common wheat accessions from various countries. Most accessions were sourced from prominent genetic resource centers, including the Wheat Genetic and Genomic Resources Center at Kansas State University and the USDA-ARS National Small Grains Collection. The plants were cultivated under controlled greenhouse conditions, with a photoperiod of 16 hours light and 8 hours dark, maintaining a temperature of 24/18 °C and 70% relative humidity.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under study, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that as variable $X$ increases, there is a corresponding increase in variable $Y$, quantified by a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong positive relationship.
Additionally, the analysis reveals that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in outcomes, with a mean difference of $M = 5.2$ (p < 0.01) when compared to the control group. These findings underscore the effectiveness of the intervention and provide a foundation for further research in this area. Overall, the results contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena and highlight potential avenues for future exploration.
Discussion
The research identifies and characterizes the powdery mildew resistance gene Pm36, also referred to as WTK7-TM, derived from wild emmer wheat. The introgression line 3D232 exhibits broad-spectrum resistance against 104 genetically distinct Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) isolates, including virulent strains from China, both at the seedling and adult plant stages. Fine mapping narrowed the gene’s location on chromosome 5BL to a 0.021-cM interval, encompassing a 273.8 kb region with four high-confidence genes. Notably, the study ruled out two candidate genes (CYB561-Domon and TM9SF4) through transgenic assays, leading to the identification of WTK7-TM as the likely causal gene for resistance.
Further validation through virus-induced gene silencing (VIGS) and ethyl methane sulfonate (EMS) mutagenesis confirmed that mutations in WTK7-TM resulted in loss of resistance to Bgt, underscoring its essential role in conferring powdery mildew resistance. The gene encodes a tandem kinase protein with a unique transmembrane domain, which is hypothesized to play a critical role in pathogen recognition and immune response activation. The geographic distribution analysis indicates that WTK7-TM is rare, found only in specific wild emmer populations, suggesting it may be an orphan gene with significant potential for enhancing the genetic diversity of modern wheat breeding programs. Overall, this study highlights the importance of WTK7-TM in developing wheat varieties with durable, broad-spectrum resistance to powdery mildew.