Forskare vid King Abdullah University of Science and Technology, KAUST, har klonat veterostresistensgenerna Lr9 och Sr43 och identifierat att de kodar för ovanliga proteiner. Deras forskning kommer att möjliggöra nya alternativ för att ta itu med resistens mot sjukdomar i brödvete.

Varje år går cirka 20 procent av den globala veteproduktionen förlorad på grund av skadedjur och sjukdomar, vilket motsvarar 3 500 spannmålsfartyg. Att odla resistenta sorter är ett av de mest ekonomiska och miljövänliga sätten att ta itu med problemet. Vetets vilda släktingar ger en reservoar av genetisk mångfald för förbättring av skörden. Lr9-genen för lövrostbeständighet, till exempel, identifierades ursprungligen i ett vild getgräs (Aegilops umbellulata). I ett banbrytande experiment som genomfördes på 1950-talet lyckades Dr Ernest Sears överföra ett litet Lr9-bärande segment av en Aegilops-kromosom till brödvete, vilket visar att det är möjligt att stabilt korsa små kromosomsegment från avlägsna vilda släktingar. Nästan 40 procent av de resistensgener som finns i brödvete idag har korsat till vete från vilda släktingar under de senaste 60 åren. Vetesorter som bär Lr9 släpptes i slutet av 1960-talet och Lr9 är fortfarande effektivt i många veteodlingsområden. Denna typ av avel kan dock leda till samintroduktion av ogynnsamma versioner av andra gener från den vilda släktingen, känd som “länkningsdrag”. KAUST-forskaren Yajun Wang använde långläst sekvensering för att sekvensera genomen från en Lr9-innehållande brödvetesort och Ae. umbellulata. Jämförelse av de två genomen möjliggjorde en fullständig rekonstruktion av denna historiska translokation.
– Vi fann att Lr9 hade introducerats i vete tillsammans med cirka 536 andra gener från Aegilops umbellulata. Dessutom ledde processen till radering av ett litet fragment av vetegenomet som innehåller 87 gener, säger Wang.
I likhet med Lr9 kom stamrostresistensgenen Sr43 från det vilda höga vetegräset (Thinopyrum elongatum). Två team ledda av Simon Krattinger och Brande Wulff klonade Lr9 respektive Sr43 genom att generera mutanter och jämföra deras sekvens med modergenomen.
– De klonade generna kan nu användas för att konstruera brödvetelinjer utan kopplingsmotstånd. Ännu viktigare är att generna kan kombineras med andra klonade rostresistensgener till multigenstaplar för att skapa linjer med överlägsen och mer hållbar resistens, säger Guotai Yu, ledande forskare på Sr43-projektet.
För att klona Lr9 utvecklade Wang en ny metod kallad MutIsoSeq baserad på sekvensering av mRNA snarare än genomiskt DNA. Den kombinerar långläst sekvensering av mRNA från vildtypsföräldralinjer och kortläst mRNA-sekvensering av mutanta växter för att identifiera kandidatgener. Jämfört med andra genkloningsmetoder baserade på DNA-sekvensering tillåter MutIsoSeq billigare och snabbare kloning av orsaksgener utan tråkig genetisk kartläggning, och metoden kan enkelt tillämpas i alla grundläggande molekylärbiologiska labb. Kloningen av Lr9 och Sr43 avslöjade också att generna kodar för ovanliga kinasfusionsproteiner. Vetekinaser har nyligen dykt upp som en framstående ny aktör involverad i sjukdomsresistens i vete och korn. Forskarna kombinerade storskalig mutationsanalys och AlphaFold-proteinmodellering för att tolka proteinfunktionen.
– Ett kinas är ett vanligt enzym som spelar viktiga roller i många cellulära processer i både växter och djur, inklusive immunitet, säger Krattinger. Patogener utsöndrar proteiner som saboterar värdprocesser, undergräver värden och orsakar sjukdomar. Deras arbete tyder på att fusionen av dessa proteiner till kinaser kan göra det möjligt för värden att lättare upptäcka förekomsten av patogener och utlösa försvarssvar. En speciell egenskap hos Sr43-genen är att den inte ger bra resistens vid förhöjda temperaturer.
– Efter att ha klonat Sr43 kan vi nu börja reda ut den molekylära mekanismen för dess temperaturkänslighet. Detta kan göra det möjligt för oss att konstruera en värmebeständig version som skulle vara bättre anpassad till klimatförändringarna, säger Wulff.