Receptorju podobna kinaza bogata s cisteini daje odpornost pšenice proti širokemu spektru madežev Septoria tritici

Odpornost pšenice proti madežev Septoria tritici

Listna bolezen madežev Septoria tritici (ang. Septoria tritici blotch (STB)), ki jo povzroča gliva Zymoseptoria tritici, bistveno vpliva na donos na nekaterih največjih območjih, kjer pridelujejo pšenico. Do danes je bilo kartiranih 22 glavnih genov za odpornost proti STB (imenovanih Stb) v pšenici ^{1/sup>, ki omogočajo kvalitetno odpornost. Kvalitativna odpornost je ponavadi monogenska, specifična za genotip in netrajna. Za večino genov Stb se je izkazalo da so učinkovite proti manjšini avirulentnih izolatov Z. tritici 2.}

Kloniranje prvega gena Stb (Stb6) je pred kratkim pokazalo, da kodira s steno povezan receptor, ki daje gen-za-gen tip odpornosti proti izolatom, ki nosijo ujemajoči se gen AvrStb6 1. Še en gen, ki je še posebej zanimiv, je Stb16q, ki je bil učinkovit proti vsem doslej testiranim izolatom Z. tritici2. V tem članku so ta gen klonirali in analizirali iz sintetične heksaploidne pšenice (SHW), ki je odporna na STB ¹. SHW so umetno ustvarjeni plodni hibridi med tetraploidno pšenico in diploidnim sorodnikom pšenice s čem se omogoči prenos agronomsko pomembnih genov iz divjih sorodnikov na navadno pšenico ³.

Z uporabo QTL (‘’ang. Quantitative Trait Loci) analize odpornosti dupliranih haplotipov križanja SHW TA4152-19 z dovzetno linijo ND495 na Z. tritici so ugotovili da je gen na lokusu Stb16q, ali gen, ki je direktno povezan z njim odgovoren za fenotipsko varijacijo ^1,4. Primerjali so sekvenco z referenčno genetsko karto visoke gostote in so opazili so da se 5 mikrosatelitnih markerjev skupaj deduje s Stb16q. Markerje so uporabili da iščejo rekombinacijske dogodke pri 1305 imunih in 675 dovzetnih rastlin s čem so omejili Stb16q na 272 kb interval, z zapisom za dva gena Crk6 in Unk1 ¹.

Kako bi ugotovili funkcijo genov, primerjali so sekvence teh genov v odpornih in dovzetnih sevih. Ugotovili so da so vsi sevi, ki vsebujejo ali Crk6 ali Unk1 haplotip iz TA4152-19, odporni na Z. tritici, dokler jih dovzeten sev ND495 ne vsebuje. Po tem so preverjali fenotipe 310 družin mutageniziranih TA4152-19 in opazili da so dovzetne rastline vsebovale škodljivo mutacijo S508F v kinazni aktivacijski zanki Crk6, medtem ko v genu Unk1 niso opazili mutacije. Ugotovili so da je homozigotnost te mutacije povzročila dovzetnost, kar dokazuje da gen Crk6 predstavlja Stb16q. Na koncu so še stabilno transformirali dovzetni sev Courtot z genomsko sekvenco Crk6 in T2 generacijo okužili z 11 sevi Z. tritici. Opazili so da so vse rastline, ki so vsebovale transgen, bile odporne na vse seve, s čem so sklenili da Crk6 omogoča odpornost širokega spektra proti Z. tritici ¹.

Izražanje Stb16q so predvsem opazili v listih TA4152-19, pri čemer se raven zvišala en dan po inokulaciji z Z. tritici. Stb16q kodira receptorju podobno kinazo bogato s cisteini, transmembranski protein z dvemi ekstracelularnimi DUF26 domenami in intracelularno serin/treonin protein kinazno domeno. Na osnovi aminokislinske ohranjenosti DUF26 domene med Gnk2 in Stb16q proteinom, predpostavljajo da Stb16q veže apoplastično manozo, ki izhaja iz glive ali rastline s čem aktivira imunski odziv. Imunski odziv prepreči širjenje glive pred vhodom skozi stomatno režo, ali v njeni votlini, pri čemer ne ubije patogena. Člani CRK familije, med katere sovpada Stb16q, so pokazali vlogo v odpornosti proti patogenih pri drugih rastlinah. Pri Arabidopsis so tudi dobro preučeni, ampak odsotnost ortologov onemogoča predpostavljanje mehanizma reakcije ¹.

Analizirali so zastopanost otpornega haplotipa Stb16q in opazili so ga samo pri SHW. Od 805 vzorkov iz osnovne zbirke pšenic in sort iz glavnih območji za proizvodnjo pšenice, otporen alel so imele samo 6 sort. Stb16q je verjetno izvirajo iz sevov Ae. tauschii pri Kaspijskem jezeru, pri čemer je gen pred kratkim vnesen v SHW v rejskih programih. Preverili so tudi da Stb16q ne daje dovzetnosti za druge bolezni, s čem so pokazali da je gen uporaben za vzrejo ¹.

Zaključek in pomisleki

V članku so pokazali da Stb16q omogoča odpornim SHW odpornost širokega spektra proti vseh preverjenih sevih Z. tritici, tudi če ne moremo izključiti, da imajo ti sevi druge obrambne mehanizme proti tem patogenu. S druge strani, odsotnost Stb16q iz gojenih sort pšenice ukazuje, da ni bilo selekcijskega pritiska na patogen, kaj je verjetno tudi razlog za odpornost širokega spektra. To pomeni, da je treba ta gen skrbno uporabiti z drugimi kvalitativnimi ali kvantitativnimi odpornostmi za vzrejo trajnih sort pšenice, odpornih na širok spekter Z. tritici ¹.

Literatura

1. Saintenac, C. et al. A wheat cysteine-rich receptor-like kinase confers broad-spectrum resistance against Septoria tritici blotch. Nat. Commun. 12, 1–10 (2021).

2. Brown, J. K. M., Chartrain, L., Lasserre-Zuber, P. & Saintenac, C. Genetics of resistance to Zymoseptoria tritici and applications to wheat breeding. Fungal Genet. Biol. 79, 33–41 (2015).

3. Li, A., Liu, D., Yang, W., Kishii, M. & Mao, L. Synthetic Hexaploid Wheat: Yesterday, Today, and Tomorrow. Engineering vol. 4 552–558 (2018).

4. Kearsey, M. J. & Farquhar, A. G. L. QTL analysis in plants; where are we now? Heredity (Edinb). 80, 137–142 (1998).