中国农业科学 | 福建农林大学农学院联合广西大学探析甘蔗抗褐锈病Bru1区域的鉴定及候选抗病基因的功能

现代甘蔗栽培品种（Saccharum spp. hybrid）是世界上最重要的糖料和生物质能源作物，提供世界食糖总产量的 80%和生物乙醇总产量的26%。我国是世界甘蔗种植的第三大国，2021 年甘蔗的种植面积为130万hm²，蔗茎产量为10 666万t （FAO，2021），甘蔗产业已成为我国西南地区，尤其是广西和云南等地的农业支柱产业。甘蔗褐锈病是由黑顶柄锈菌（Puccinia melanocephala H. Sydow & P. Sydow）引起的严重危害甘蔗生产的真菌性病害， 已在多个种植甘蔗的国家或地区暴发，严重时可造成甘蔗产量损失达15%—40%，蔗糖分含量降低10%— 36%。因此，挖掘抗褐锈病基因并对其进行功能鉴定，为基于基因工程技术培育优良抗病甘蔗新品种提供目标基因资源，具有重要的理论和实践意义。

近期， 福建农林大学农学院/国家甘蔗工程技术研究中心/农业农村部福建甘蔗生物学与遗传育种重点实验室联合广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室完成的题为“甘蔗抗褐锈病Bru1区域的鉴定及候选抗病基因的功能分析”的研究在《中国农业科学》2024年第57卷5期正式发表。

利用 PacBio SequelⅡ测序平台获得甘蔗栽培品种ROC22的contig水平基因组信息，鉴定到抗褐锈病Bru1区域，对其进行基因注释和克隆，分析其组织特异性和抗、感褐锈病甘蔗品种中的表达模式及其在烟草叶片的亚细胞定位和瞬时表达。

Bru1 位点区域与标记R12H16和9O20-F4所在BAC序列的比较及候选基因的预测

基于Bru1位点区域紧密连锁的标记R12H16和9O20-F4，从该区域中注释到33个基因，结合典型抗病基因结构域，共筛选获得5个候选抗病基因，分别为Brrg99、Brrg103、Brrg108、Brrg115 和 Brrg116。

Brrg116 复等位基因的多序列比对和聚类分析

以甘蔗栽培品种 ROC22 的 cDNA 为模板，克隆获得Brrg116 的全长序列729 bp，编码 242 个氨基酸残基。将该基因序列分别比对甘蔗热带种和割手密种及二倍体近缘种高粱的基因组数据库，发现其与热带种和割手密种的同源基因序列相似性很高，达到98%以上，而与高粱的相似性为93.77%。系统进化树揭示该基因起源甘蔗割手密种。

  Brrg116 在不同组织中的表达量

 Brrg116 响应褐锈病菌侵染的表达模式

实时荧光定量PCR检测表明，Brrg116 在甘蔗栽培品种的多个组织中组成型表达，尤其是在+1 叶中的表达量最高，是蔗芽的9.8倍；在褐锈病菌侵染抗、感甘蔗栽培品种的6和72 h时，呈现显著差异表达。

Brrg116 蛋白的亚细胞定位

亚细胞定位结果显示，该基因编码蛋白定位于细胞膜上。在本氏烟（Nicotiana benthamiana）叶片中瞬时过表达 Brrg116，其后接种茄病镰刀菌蓝色变种，二氨基联苯胺法（3,3′-diaminobenzidine，DAB）染色逐渐加深，超敏反应相关基因、水杨酸信号和乙烯信号途径中的相关基因持续上调表达。

Brrg116 在甘蔗不同组织中组成型表达，且在受褐锈病菌侵染的抗病甘蔗栽培品种中呈现快速的诱导表达。此外，过表达Brrg116引发水杨酸和乙烯等激素信号通路产生防御响应，推测该基因可能在提高植物的抗病性方面发挥重要调控作用。

该研究获得国家重点研发计划（2021YFF1000101-5）、国家自然科学基金（32272156）、福建省自然科学基金（2022J01160）、国家现代农业（糖料） 产业技术体系建设专项（CARS-17）的资助。

论文链接：

《甘蔗抗褐锈病Bru1区域的鉴定及候选抗病基因的功能分析》

引用本文：

吴期滨, 谢婉婕, 钟惠, 冯春燕, 潘浩然, 齐浥颖, 张积森, 王恒波. 甘蔗抗褐锈病Bru1区域的鉴定及候选抗病基因的功能分析[J]. 中国农业科学, 2024, 57(5): 855-867.

WU QiBin, XIE WanJie, ZHONG Hui, FENG ChunYan, PAN HaoRan, QI YiYing, ZHANG JiSen, WANG HengBo. Identification of the Bru1 Genomic Region for Brown Rust Resistance and Functional Analysis of Candidate Resistance Genes in Sugarcane[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2024, 57(5): 855-867.