【研究单位】山东农业大学农学院
【课题来源】国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省农业良种工程等
【成果说明】
小麦赤霉病素有小麦“癌症”之称，是全球小麦生产中的重大病害。它不仅造成产量损失，其病原菌分泌的霉菌毒素还会污染谷物籽粒，严重威胁粮食生产与食品安全。然而，小麦种质资源中赤霉病抗源极其稀缺，严重制约抗赤霉病新品种的培育。小麦近缘物种在长期自然选择下不断演化，携带丰富的抗病、抗逆及优质基因，是改良小麦抗逆性的重要基因资源库。
本研究首次完成了小麦近缘植物二倍体长穗偃麦草基因组的组装、注释和比较基因组学分析，将抗赤霉病基因Fhb7定位在245 kb的物理区间内，并筛选到唯一表达的候选基因。该基因功能注释为谷胱甘肽转移酶（Glutathione S-transferase）。Fhb7编码的蛋白能够打开呕吐毒素DON的环氧基团这一核心毒性位点，并催化其形成谷胱甘肽加合物（DON-GSH），从而产生解毒效应。进一步研究发现，Fhb7具有广谱解毒功能，可对多种镰孢菌属分泌的霉菌毒素进行GSH衍生化，使Fhb7转基因植株对小麦赤霉病和茎基腐病均表现出明显抗性。这表明，长穗偃麦草通过水平基因转移将源自Epichloë的Fhb7基因DNA整合到自身基因组中，从而进化出抵抗镰孢菌属病原菌侵染的能力。利用远缘杂交结合分子标记辅助选择，将Fhb7基因导入我国主要小麦品种，选育出第一代抗赤霉病小麦-偃麦草易位系。多年表型鉴定表明，该易位系在多种不同遗传背景下均显著提高了小麦对赤霉病和茎基腐病的抗性，且对产量无显著负面影响。
本研究所获得的长穗偃麦草参考基因组为小麦近缘物种优异基因的挖掘与利用提供了重要的信息资源，Fhb7基因的克隆与功能解析为小麦抗赤霉病育种提供了有效的种质资源与理论依据。
该研究成果以“Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies Fusarium head blight resistance in wheat”为题以封面文章形式发表在国际顶级学术期刊《Science》上。
图1 小麦抗赤霉病基因Fhb7的克隆及机理解析
【用户使用】
依托山东农业大学超级计算中心平台，本研究完成了长穗偃麦草的基因组组装及相关生物信息学分析。在Linux环境下，利用多款软件对多种测序数据进行了分析。由于整体计算需求巨大，本研究按分析阶段将任务拆解为若干子任务，并按任务顺序依次提交至高性能计算平台；同时，充分利用平台并行计算能力处理各阶段内部可并行部分，从而将长穗偃麦草基因组分析时间缩短至可接受范围。
【论文】
Hongwei Wang et al., Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies Fusarium head blight resistance in wheat. Science 368, eaba5435(2020). DOI:10.1126/science.aba5435