遗传发育所植物免疫团队解密小麦杂种坏死百年未解之谜

杂种坏死是一种在植物杂交后代中常见的遗传不亲和现象，表现为叶片坏死、生长迟缓和不育等症状。杂种坏死的发生严重阻碍了优良性状的聚合，限制了新品种的培育。早在一百年前，育种家便发现了小麦中的杂种坏死现象，并发现其受一对互补基因Ne1和Ne2共同调控。2021年，三个独立研究团队成功克隆了Ne2基因，发现其编码一个NLR类型的抗病蛋白（Yan et al., 2021; Si et al., 2021a; Hewitt et al., 2021）。同时证明了Ne2与小麦抗叶锈病基因Lr13/LrZH22为同一基因，并与小麦抗条锈病基因Yr27为等位基因（Athiyannan et al., 2022），表现出对锈病和杂种坏死调控的多重效应。然而，Ne1基因一直未被成功克隆。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员带领的植物免疫团队及其合作者在国际知名期刊Nature Communications上在线发表了题为“Genomic structural variation in an alpha/beta hydrolase triggers hybrid necrosis in wheat”的研究论文。该研究通过图位克隆、突变体分析、转基因和基因组学分析等手段克隆了小麦杂种坏死基因Ne1，其编码一个由基因组结构变异产生的α/β水解酶（ABH），并通过与Ne2协同激活自身免疫反应引发杂交坏死。进一步通过基因组学和遗传学分析证实，Ne1的等位变异及拷贝数变异（CNV）都是导致小麦杂交坏死表型多样性的关键因素。系统进化分析表明，Ne1可能起源于野生二粒小麦，其形成可能涉及基因重复和异位重组事件。与广泛用于抗叶锈病育种的Lr13/Ne2不同，Ne1在现代小麦品种中的出现频率较低，这主要是因为它会导致杂交坏死等不良影响。该研究揭示了NLR/ABH基因对在植物发育和先天免疫中的协同演化机制，对于提高小麦杂交育种效率、培育抗病新品种具有重要的科学意义和应用价值。

中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后司要奇、张怀志，崖州湾国家实验室青年科学家马省伟，以及中国科学院遗传与发育生物学研究所郑树松副研究员为论文共同第一作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究员、李淼淼副研究员、董玲丽副研究员和中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室凌宏清研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家科技创新2030重大项目、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目以及崖州湾国家实验室项目等的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57750-5

图：Ne1的等位变异和拷贝数变异共同赋予小麦杂种坏死的多样性