Wetenschap
Onderzoekers ontdekken natuurlijke variatie in wilde emmertarwe voor breedspectrumziekteresistentie
Broodtarwe is voor miljoenen mensen een van de belangrijkste basisgewassen en is blijkbaar het grootste verbouwde en verhandelde graansoort ter wereld. Broodtarwe is een hexaploïde soort met drie subgenomen (2n =6x =42, AABBDD) die twee afzonderlijke allopolyploïdisatie- en domesticatie-evenementen heeft ondergaan.
Als gevolg van de knelpunten heeft moderne tarwe te kampen met een extreem lage genetische diversiteit, wat heeft geleid tot genetische erosie en een verhoogde vatbaarheid en kwetsbaarheid voor omgevingsfactoren, plagen en ziekten. Wilde emmertarwe, Triticum dicoccoides, (2n =4x =28, AABB), is de directe wilde voorloper van zowel durum- als broodtarwe en biedt nieuwe natuurlijke variaties voor moderne tarweverbetering.
Onderzoekers van het Instituut voor Genetica en Ontwikkelingsbiologie (IGDB) van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben vooruitgang geboekt bij het klonen van een breedspectrum resistentiegen voor echte meeldauw, Pm36, dat codeert voor een nieuw tandemkinase met een transmembraandomein (WTK7-TM), afkomstig uit wilde emmertarwe.
De resultaten zijn online gepubliceerd in Nature Communications op 10 april.
Pm36 werd voor het eerst geïdentificeerd uit terugkruisingsintrogressielijnen van wilde emmer-durumtarwe en in kaart gebracht op de 5BL-chromosoomarm door wetenschappers van de Universiteit van Bari, Italië, met behulp van versterkt fragmentlengtepolymorfisme, eenvoudige sequentieherhaling (SSR) en uitgedrukte sequentietag (EST) - afgeleide makers.
Wetenschappers van de China Agricultural University ontwikkelden in ongeveer dezelfde tijd een terugkruisingsintrogressielijn voor echte meeldauwresistentie van wilde emmer en gewone tarwe en brachten hetzelfde gen nauwkeurig in kaart met behulp van polymorfe SSR, van EST afgeleide sequentie-gelabelde sitemarkers door vergelijkende genomische analyses uit te voeren.
In deze studie werd, om Pm36 te klonen, een grotere segregatiepopulatie bestaande uit 31.786 gameten gebruikt om Pm36 nauwkeurig in kaart te brengen in een klein genomisch interval dat slechts vier genen met hoog vertrouwen bevat volgens de beschikbare referentiegenoomsequenties van tarwe en zijn wilde verwanten. Geen van deze genen bleek echter Pm36 te zijn nadat de twee tot expressie gebrachte genen binnen dit interval afzonderlijk waren geïntroduceerd in de zeer gevoelige tarwecultivar Fielder door middel van Agrobacterium-gemedieerde transformatie voor functionele karakterisering.
De onderzoekers vroegen zich vervolgens af of dit een variatie was in de genomische structuur van het Pm36-gengebied. Door gebruik te maken van de lagere kosten van PacBio SMRT long-read sequencing-technologie, werd de tetraploïde wilde emmer-durum introgressielijn 5BIL-29 met Pm36 gesequenced om HiFi-reads en Hi-C-reads voor de assemblage van genoomsequenties te genereren. Een contig ptg000422 van 7,1 Mb die het gehele fysieke Pm36-karteringsinterval (1,17 Mb) beslaat, werd uit het samengestelde genoom vastgelegd.
Het is niet verrassend dat er een grote sequentie-insertie werd gevonden in het fysieke Pm36-gebied dat zeven extra voorspelde genen herbergt, en een vermoedelijk tandemkinase met een voorspeld transmembraandomein (WTK7-TM) werd verder bevestigd als het Pm36-gen.
Haplotypische variatieanalyse onthulde dat Pm36 (WTK7-TM) alleen werd gepresenteerd in de genenpool van de zuidelijke wilde emmer. De afwezigheid van Pm36 en verschillende andere gekloonde ziekteresistentiegenen, zoals Pm41, Yr15 en Yr36, in de natuurlijke habitats van wilde emmertarwe in het zuidoosten van Turkije, waar vermoedelijk tarwe is gedomesticeerd, evenals in gecultiveerde tetraploïde en hexaploïde tarwe, onthulde dat deze ziekteresistentiegenen in het wild zijn achtergebleven en niet zijn geïntegreerd in de gecultiveerde tarwegenenpool.
De meeste gekloonde tarweresistentiegenen coderen voor intracellulaire nucleotide-bindende leucinerijke repeat-receptoreiwitten. Tarwetandemkinase (WTK) werd onlangs gekarakteriseerd als een nieuw resistentie-eiwit in tarwe en wilde verwanten voor vele soorten ziekteresistentie, waaronder streeproest, stengelroest, bladroest, echte meeldauw en tarweontploffing.
Pm36/WTK7-TM werd ontdekt in wilde emmertarwe en er is aangetoond dat het resistent is tegen diverse isolaat van Blumeria graminis f. sp. tritici. Pm36 is gebruikt om geavanceerde kweeklijnen te ontwikkelen met een breed spectrumresistentie en een hoog opbrengstpotentieel om de voedselzekerheid te garanderen.