[发明专利]具有增加的锈病抗性的转基因谷类植物

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年6月3日提交的美国临时专利申请序列号61/830,444的权益，并通过引用将所述临时申请结合到本文中，如同其此时被全部列出一样。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明在农业部授予的USDA/NIFA批准号2011-68002-30029下在美国政府支持下进行。政府对本发明具有一定的权利。

发明领域

本发明一般地涉及总体上改善农作物植物的领域，并且更具体地，涉及具有增加的锈病抗性的转基因2174小麦品种。

发明背景

小麦为全世界的主要食物作物，但不断地受到数种真菌疾病，例如叶锈病和条锈病的挑战[1,2]。存在对于宿主植物对流行病原体的抗性已经定位的许多基因或数量性状位点(QTL)，包括对于条锈病的67个基因/QTL和对于叶锈病的49个基因/QTL[3]。这些基因/QTL的抗性可分为两种类型：i)完全或质量抗性，和ii)部分或数量抗性[4-11]。质量抗性符合基因对基因模型，其中病原体由植物宿主抗性基因识别，导致病原体的完全排除[12]。数量抗性仍然知之甚少，但通过两种假设解释：i)多重抗性基因之间的相互作用的结果[13,14]，或ii)病原体效应器与植物防御蛋白之间的直接相互作用或病原体效应器与该效应器触发的植物防御蛋白之间的间接相互作用的结果[15,16]。

Lr34是赋予对引起叶锈病、条锈病和白粉病的真菌病原体的抗性的非种族特异性基因，其还赋予对大麦黄矮病毒的抗性[17-20]。由于其对多种病原体的抗性的持久性和非特异性，Lr34成为全世界小麦中最重要的疾病抗性基因之一，并且自21世纪初就已经被利用[21-23]。Lr34的克隆表明该基因的抗性等位基因由24个外显子和23个内含子组成，从起始密码子到终止密码子跨越11,805bp的核苷酸序列，并且其编码多种药物抗性(PDR)-样腺苷三磷酸-结合盒(ABC)转运体，该转运体由两个单元组成，每个单元包含一个胞质核苷酸结合结构域(NBD)和一个疏水跨膜结构域(TD)[2]。抗性等位基因Lr34r和敏感等位基因Lr34s可通过三个多态性区分。第一个为在Lr34E11s等位基因的外显子11中存在但在Lr34E11r等位基因中缺失的编码苯丙氨酸的密码子TTC，第二个为外显子12中从“C”至“T”的点突变，产生Lr34E12s蛋白中的酪氨酸残基和Lr34E12r蛋白中的组氨酸残基[2,18]。第三个为Lr34E22s在外显子22中包含一个点突变，产生过早的终止密码子和缺乏覆盖大部分第二跨膜结构域的185个氨基酸的缩短的、无功能Lr34E22s蛋白[2,18,22,24]。三个突变中的每个均已在蛋白水平表征但未在转录水平表征。

先前在适应南部大平原的冬小麦品种上的研究表明Lr34是自携带敏感Lr34等位基因的“Jagger”与携带抗性Lr34等位基因的“2174”的成对杂交的重组自交系(RIL)中叶锈病反应的总表型变异的18-35%的原因[22]。在其它研究中也报道Lr34是叶锈病反应变异的29-33%的原因[2,13,25]。然而，该基因赋予的部分抗性的分子机制在很大程度上仍是未知的。因此，Lr34基因在小麦育种中的部署仍基于传统的育种方法，通过该方法将来自供体的抗性等位基因引入携带敏感等位基因的受体品种。

对Lr34转录缺陷和其对进一步的下游或上游蛋白的作用的彻底理解将明显有助于建立持久的疾病抗性途径，并允许基因工程改造抗锈病和其它真菌疾病的小麦。

发明概述

Lr34是一个赋予对真菌病原体包括叶锈病、条锈病、茎锈病和白粉病，以及大麦黄矮病毒的抗性的非种族特异性基因。由于其对多种病原体的抗性的持久性和非特异性，Lr34成为全世界小麦中最重要的疾病抗性基因之一。然而，Lr34的抗性为部分的，因此其被称为“微效”基因。