小麦叶锈病是由叶锈菌引起的世界性真菌病害，严重威胁小麦生产。克隆和应用优异的抗叶锈病基因将有助于防控小麦叶锈病的发生。研究发现在将小麦抗叶锈病基因Lr13利用常规杂交导入一些小麦品种时，往往会引起杂种坏死现象。在小麦中，杂种坏死是由一对互补基因Ne1和Ne2共同控制。抗叶锈病基因Lr13与杂种坏死基因Ne2存在紧密连锁关系，但是二者是否为同一基因仍不清楚。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所刘志勇研究组与河北农业大学植物保护学院李在峰研究组合作克隆了小麦高温成株抗叶锈病基因Lr13与杂种坏死基因Ne2，并揭示二者为同一个基因，该基因表现为一因多效。该研究拓展了对植物抗病性与杂种坏死关系的认知，也为培育小麦抗叶锈病新品种提供了优良基因资源。
小麦品种周麦22高抗叶锈病。温度试验表明，周麦22在相对高温时(25 ℃)表现出更好的叶锈病抗性。利用图位克隆和MutRenSeq方法，从普通小麦品种周麦22中克隆了抗叶锈病基因LrZH22，该基因编码一个Rx_CC-NBS-LRR(NLR)结构域的抗病蛋白。利用感叶锈病突变体和转基因实验进一步证实该基因就是LrZH22。通过从抗叶锈病基因Lr13载体品系Manitou和RL4031中扩增NLR 基因序列，发现两个品系中的NLR基因序列与周麦22中的完全一致，说明LrZH22与Lr13为相同基因。
与此同时，通过精细定位小麦早衰基因els1(Ne2)发现其定位区间与LrZH22基因相互重叠，其中的NLR基因与els1基因共分离。通过转录组数据和基因组序列扩增分析，发现NLR基因是els1基因的重要候选基因，而有意思的是该NLR基因就是LrZH22/Lr13。通过序列比较发现，NLR基因在含els1的早衰亲本、周麦22、Manitou和RL4031中均完全一致。进一步通过一系列的遗传杂交实验验证NLR基因就是早衰基因els1(Ne2)。
利用新开发的LrZH22/Lr13/els1/Ne2基因功能标记扫描来自全世界的650份普通小麦发现，发现31份材料含有LrZH22/Lr13/els1/Ne2，且均表现高抗叶锈病。尤其值得注意的是小麦骨干亲本周8425B和黄淮麦区及北部冬麦区的一些主栽品种，如良星99、周麦22、农大212和烟农15等携带有该抗叶锈病基因Lr13，且田间仍保持有效的叶锈病抗性。因此，抗叶锈病基因Lr13的有效应用为我国小麦叶锈病防治做出了重要贡献。
这项研究成果于2021年5月7日在线发表于Molecular Plant (DOI:10.1016/j.molp.2021.05.009)杂志上。河北农业大学博士研究生闫晓翠、遗传发育所博士后李淼淼、河北农业大学副教授张培培、河南农业大学教授殷贵鸿为论文共同第一作者。河北农业大学教授李在峰和遗传发育所研究员刘志勇为论文共同通讯作者。该项目获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院以及植物细胞与染色体工程国家重点实验室的资助。
图： 小麦抗叶锈病基因LrZH22/ Lr13和杂种坏死基因els1/ Ne2 克隆和功能研究
