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为解决小麦杂种坏死基因 Ne1 难以确定及相关机制不明的问题，研究人员开展了小麦杂种坏死相关基因的研究。通过图位克隆等方法确定 Ne1 编码 α/β 水解酶（ABH）蛋白，发现其等位基因和拷贝数变异影响杂种坏死，该研究为小麦育种提供了理论依据。
在植物杂交的奇妙世界里，杂种坏死现象一直是困扰科学家们的难题。杂种坏死是一种在植物杂种中普遍存在的现象，被认为是导致基因流障碍的常见遗传不亲和形式。它由不同亲本的差异等位基因之间的上位性相互作用引起，在没有病原体的情况下，会使植物出现类似自身免疫的症状，比如叶片坏死、皱缩、矮化、生长受阻以及育性降低等 。这一现象在拟南芥、棉花、小麦等众多物种中都有出现，其遗传基础遵循 Bateson - Dobzhansky - Muller（BDM）模型，通常涉及两个位点的相互作用。
在小麦的研究领域，杂种坏死同样是一个棘手的问题。它阻碍了小麦的遗传改良，既影响了从不同普通小麦基因型中整合优良性状，也限制了将相关物种的基因导入商业品种。小麦杂种坏死由互补显性基因 Ne1 和 Ne2 控制，它们分别位于 5BL 和 2BS 染色体臂上。2021 年，Ne2 基因被成功克隆，它编码一种核苷酸结合富含亮氨酸重复（NLR）免疫受体，并且与小麦叶锈病抗性基因 Lr13 相同，与条锈病抗性基因 Yr27 等位，具有抗锈病和杂种坏死的多效性。然而，尽管有三个团队构建了高密度遗传图谱，Ne1 基因却一直未被确定。
为了揭开 Ne1 基因的神秘面纱，中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究人员展开了深入研究。他们通过一系列实验，成功克隆了 Ne1 基因，并对其功能、进化以及在小麦中的分布进行了全面探究，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。在基因定位方面，利用了群体分离 RNA 测序（BSR - Seq）技术和连锁分析；通过诱变和转基因实验对基因功能进行验证；借助实时定量 PCR（RT - qPCR）技术分析基因表达水平；运用液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）测定植物激素含量；采用亚细胞定位技术研究蛋白定位；通过全基因组重测序数据进行结构和等位基因变异分析。此外，研究中还使用了大量不同基因型的小麦材料作为样本队列。
下面来看具体的研究结果：
- 小麦杂种坏死的表型特征：研究人员通过对小麦品系 M114（Ne1Ne1Ne2Ne2）、周麦 22（ZM，ne1ne1Ne2Ne2）以及它们的 F1杂种进行研究，发现 M114 在叶片尖端开始出现坏死症状，并随植株发育蔓延，而 ZM 保持健康，F1杂种在灌浆期叶片尖端出现坏死。同时，在郑农 17（ZN17，ne1ne1Ne2Ne2）和扬白麦（YBM，Ne1Ne1ne2ne2）的分离群体中也鉴定出杂种坏死现象，并通过构建近等基因系 NIL - ne1（ne1ne1Ne2Ne2）和 NIL - Ne1（Ne1Ne1Ne2Ne2）对坏死症状进行评估，发现坏死表现为叶片过早死亡和生长潜力受损，且可能由局部过氧化氢（H2O2）积累引发。
- Ne1 的图位克隆：利用 M114×ZM 分离群体进行 BSR - Seq 实验，将 Ne1 定位在 5BL 染色体臂上。随后，通过 7659 个 F2个体将 Ne1 定位在标记 XM14 和 XM6 之间 0.07 cM 的遗传区间内，对应中国春（CS）基因组序列 IWGSC RefSeq v2.1 中的 3.61 Mb 基因组区域。进一步研究发现，M114 在 NE1 位点有一个长基因组片段插入，该插入片段包含六个高置信度基因，其中 TraesCS5B03G0561800（ABH.1）编码 α/β 水解酶（ABH）家族蛋白，被认为是 Ne1 的候选基因。对 ABH.1 基因进行克隆和序列分析，发现其与 CS 相比存在多个序列变异。
- ABH.1 作为 Ne1 的功能验证：通过对坏死品系 NIL - Ne1 和 M114 的种子进行 EMS 诱变，筛选出非坏死突变体。对这些突变体的 ABH.1 和 Ne2 基因进行测序，发现多个非坏死突变体在 ABH.1 或 Ne2 基因上存在突变，表明 ABH.1 很可能就是 Ne1。此外，通过基因互补实验，将 ABH.1 基因导入不同小麦材料中，结果表明 ABH.1 能在 Ne2 存在的情况下诱导叶片坏死，进一步证实了 ABH.1 就是 Ne1。
- ABH.1 通过激活免疫反应引发杂种坏死：对 ABH.1 的表达模式进行研究，发现其在叶片中表达量最高。通过对病原体相关基因表达和植物激素含量的分析，发现 NIL - Ne1 中相关基因表达水平和水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）含量显著高于 NIL - ne1，暗示杂种坏死的发生与自身免疫激活有关。同时，通过亚细胞定位实验，发现 ABH.1 主要定位于质膜，而 Ne2 主要定位于细胞质和细胞核。
- ABH.1 的等位基因和拷贝数变异对杂种坏死的影响：通过对 540 份六倍体和 157 份四倍体小麦的全基因组重测序数据分析，鉴定出 ABH.1 的七种单倍型（Hap1 - Hap7）和四种结构变异类型。同时，发现 ABH.1 存在拷贝数变异（CNV），且拷贝数变异与结构变异相对应，CNV - 2 和 CNV - 3 个体中 ABH.1 的表达水平显著高于 CNV - 1 个体。通过遗传实验，发现不同单倍型和拷贝数变异的 ABH.1 对杂种坏死的严重程度有显著影响，表明 ABH.1 的等位基因和拷贝数变异均对杂种坏死有贡献。
- ABH.1 的进化轨迹：系统发育分析表明，ABH.1 的同源基因广泛存在于禾本科植物中。通过对九种 Sitopsis 基因组和 157 份重测序的四倍体基因组进行分析，发现 ABH.1 可能起源于野生二粒小麦。基因组结构分析表明，ABH.1 可能通过片段复制和异位重组事件形成，并且在进化过程中，ABH.1 与 ABH.2 发生了分化。
- ABH.1 的分布：利用诊断标记对全球来源的四倍体和六倍体小麦进行筛选，发现 Ne1 在野生二粒小麦、栽培二粒小麦、硬粒小麦和六倍体小麦中的存在比例不同，且 Ne1 在北美普通小麦中的频率显著低于欧洲和亚洲，在中国小麦育种过程中，Ne1 受到了负选择。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功分离出 Ne1 基因，揭示了其编码 α/β 水解酶蛋白，并且发现 Ne1 等位基因可能起源于野生二粒小麦，通过片段复制和异位重组产生。ABH.1 和 Ne2（NLR）介导的坏死与拟南芥中 DM2 - DM3（NLR - ABH）相互作用类似，在植物先天免疫和杂种坏死中具有保守功能。杂种坏死与自身免疫反应相关，Ne1 可能参与自身免疫激活。基因复制和变异影响了 Ne1 的表达和功能，导致杂种坏死的多样化。此外，Ne1 和 Ne2 在小麦中的分布和选择模式不同，Ne2 因抗锈病功能受到正选择，而 Ne1 因与杂种坏死相关受到负选择。
这项研究为小麦杂种坏死现象提供了深入的分子机制解析，不仅揭示了 Ne1 - Ne2 相互作用诱导杂种坏死的奥秘，还为小麦育种提供了重要的理论基础。通过对 Ne1 基因的研究，有助于育种家在小麦遗传改良过程中更好地利用或规避杂种坏死现象，为培育优良小麦品种提供了新的思路和方法，对推动小麦育种领域的发展具有重要意义。
