受马铃薯NLRome基因启发的抗性工程插件策略

马铃薯晚疫病由Phytophthora infestans引起，现有抗性基因易被病原体突破。本研究构建涵盖31种野生和21种栽培马铃薯的NLRome数据库（含39211个NLR基因），发现新抗性基因Rpi-cph1和Rpi-cjm1，并揭示整合HMA域可拓宽抗谱，提出模块化设计策略。

摘要

马铃薯晚疫病由Phytophthora infestans引起，这场疾病曾导致爱尔兰马铃薯饥荒，至今仍对全球粮食安全构成重大威胁¹。大多数抗晚疫病（R）基因编码核苷酸结合的亮氨酸富集重复蛋白（NLRs），但由于P. infestans的快速进化，许多抗性基因已被克服²。通过杂交马铃薯育种来部署R基因³⁴⁵⁶⁷，为控制晚疫病提供了有希望的解决方案。在这里，我们构建了一个包含39,211个NLR基因的NLRome，这些基因来自31个野生马铃薯基因组和21个栽培马铃薯基因组，代表了Solanum的Petota分支（即块茎形成类群）。其中还包括了7个对晚疫病具有强抗性的野生物种的新测序基因组。系统基因组分析揭示了传感器型NLRs和辅助型NLRs之间的不对称进化模式。通过对NLRome的挖掘，我们克隆出了Rpi-cph1（其同源物此前仅在美洲黑夜shade中发现）和Rpi-cjm1（一种含有Toll/白细胞介素-1受体（TIR）结构域的抗晚疫病NLR）。我们发现非典型NLR整合结构域在NLRome中普遍存在。追踪它们的进化轨迹使我们能够识别出Rpi-brk1——这种R基因通过其重金属相关（HMA）结构域来感知P. infestans的效应因子。研究发现，将HMA结构域引入马铃薯NLR R1中可以扩大其抗性谱系，这表明可以采用“结构域插入”策略来设计抗病性。这些发现为通过比较基因组学和进化基因组学发现R基因提供了范例，并为R基因工程提供了策略。