黑麦成年植株抗锈病机制突破：ScLr_ABC25基因的鉴定与分子育种应用

本文针对黑麦成年植株抗性（APR）分子机制不明的问题，通过比较基因组学与表达谱分析，首次筛选出与小麦Lr34/Lr67同源的ScLr_ABC和ScLr_SUG基因家族。研究发现：1）黑麦缺乏小麦Lr34关键抗性等位变异，但ScLr_ABC25基因的3D结构相似性及表达模式与APR显著关联；2）ScLr_SUG1虽为Lr67直系同源基因，但未检测到已知抗性SNPs。该成果揭示了黑麦APR的独特性，为抗锈病分子育种提供了新靶点。

　　

论文解读

锈病是禾谷类作物的毁灭性病害，其中由Puccinia recondita f.sp. secalis（Prs）引发的叶锈病（LR）严重威胁黑麦生产。尽管小麦中成年植株抗性（APR）基因Lr34/Lr67的机制已被阐明，但黑麦APR的分子基础长期未知。传统抗性基因易被病原体快速进化突破，而APR具有广谱、持久的特点，因此解析黑麦APR机制对培育抗病品种至关重要。

波兰华沙生命科学大学（Warsaw University of Life Sciences, SGGW）的研究团队联合波兰育种公司DANKO与PHR，首次系统研究了黑麦APR的遗传基础。通过表型组学、比较基因组学和功能验证，发现黑麦APR机制不同于小麦，并鉴定出关键候选基因ScLr_ABC25。相关成果发表于《BMC Plant Biology》。

关键技术方法

1. 田间表型分析：对594份黑麦自交系进行两年自然感染评估，计算病情严重度增长值（IDS）鉴定APR表型。
2. 同源基因筛选：基于小麦Lr34（ABC转运蛋白）和Lr67（糖转运蛋白）序列，通过BLASTP比对黑麦Lo7基因组，筛选候选基因ScLr_ABC（29个）和ScLr_SUG（20个）。
3. 系统发育与结构建模：利用IQ-TREE构建ABC/糖转运蛋白进化树；通过AlphaFold3预测蛋白3D结构。
4. 基因表达分析：qRT-PCR检测接种Prs后APR/非APR株系中ScLr_ABC25等基因的表达动态。

研究结果

1. APR表型频率与环境依赖性
对402份（DANKO）和192份（PHR）黑麦自交系的IDS分析表明，仅<10%材料表现典型APR（IDS=0）。例外的是2020年DANKO试验中23.6%材料无病情进展（图1），揭示APR表达受病原群体变异、气候因素及遗传背景共同影响。

2. ScLr_ABC家族：结构保守但功能分化

• 进化分析：29个ScLr_ABC基因分属14个ABCG亚家族分支，但均未与小麦Lr34（Clade 50）直接聚类（图2）。
• 关键位点缺失：小麦Lr34^res抗性等位基因的特异性突变（F₅₄₆缺失、Y₆₃₄H替换）在黑麦中均未出现（图3B）。
• 结构特殊性：ScLr_ABC25（Clade 45）在634位含半胱氨酸（C）而非芳香族氨基酸，其3D结构与Lr34高度相似（图4），暗示潜在功能关联。
  
  
  
  
  

3. ScLr_SUG家族：直系同源基因无抗性变异

• ScLr_SUG1与小麦Lr67序列相似性达99%，但19份APR/非APR材料中均未检测到已知抗性SNPs（G₁₄₄R、V₃₈₇L）（图6）。
• 候选基因ScLr_SUG4/6在接种后表达上调，但同样缺乏抗性关联突变（图7）。

4. 基因表达与抗性表型关联
qRT-PCR显示：

• ScLr_ABC25：在APR材料（如DANKO系120）中显著高表达，非APR材料中表达受抑制（图8A）。
• ScLr_SUG1：与非APR表型正相关（如DANKO系59），表明其可能参与基础感病性。
  
  

5. 幼苗期抗性表达差异
接种10天后，DANKO的APR材料表现褪绿/坏死（0^;-1级），而PHR的APR