前言：
小麦秆锈病是由秆锈菌（Puccinia graminis f. sp. tritici, Pgt）感染引起的小麦三大锈病之一。主要侵染小麦叶鞘和茎秆，也危害叶片和穗部。在我国华东沿海、长江流域、南方冬麦区及东北、华北、内蒙古、西北春麦区均有发生。与小麦条锈菌类似，其病原菌孢子（尤其是其夏孢子和锈孢子）可随高空气流远距离传播，具有暴发性和大区域流行的特点，如何对其进行有效防控是长期的国际难题。种植具有足够抗性的小麦品种是控制锈病最实用和可持续的方法。然而，虽然通过育种引入多个抗性基因可以提高小麦对病原菌的耐用性和广谱抗性，但是这些组合通常是未连锁的，故在后代中会发生减弱。
2021年1月6日，Nature Biotechnology杂志在线发表了来自澳大利亚CSIRO Agriculture and Food的Michael Ayliffe团队等题为“A five-transgene cassette confers broad-spectrum resistance to a fungal rust pathogen in wheat”的研究论文。该研究通过将五个抗秆锈基因作为单一基因座引入小麦中来产生多基因Pgt抗性。研究表明这些小麦品系对来自世界各地的高传染性和高毒性的Pgt分离株有很高的抵抗力。因此，通过将多基因简单以一个基因座遗传转化极大地简化了其在育种中的使用。
现已经克隆了两类小麦秆锈病抗性（R）基因，分别为被命名为全阶段抗性（ASR）基因和成株期抗性（APR）基因。ASR基因（如Sr22、Sr35、Sr45和Sr50）编码核苷酸结合（NB）和富含亮氨酸的重复（LRR）蛋白，能够特异性识别病原菌效应因子从而激活抗病反应。ASR基因具有高水平的抗病性，但是由于病原体效应子会迅速进化以避免被识别，当ASR基因单独存在时往往很快就会丧失抗性。第二类基因是APR基因（如Sr55，编码预测的己糖转运蛋白），其可以非常持久抗病。但是，这些基因通常只能提供部分抗病性，在严重的病原菌流行期间通常不足以保护作物。该研究通过开发一个重复的Gateway重组酶克隆策略，将四个ASR基因（Sr22，Sr35，Sr45和Sr50）与APR基因Sr55结合一起组成长度为37kb的T-DNA构建体，并包括这些基因的内源性5'和3'调控序列。然后通过农杆菌转化将其作为单一基因座导入了面包小麦中。然后基于PCR扩增，在80株T0植物中，发现三株（P19，P52，P60）包含全部五个基因。
然后，该研究在温室幼苗测定和田间试验测试了这三个品系的纯合子代对Pgt的抗性。来自每个品系的T2幼苗被七种不同的Pgt分离株感染。结果显示，与对照相比所有的多转基因幼苗对所有分离株都高度的抵抗力。进一步通过使用NLR外显子组捕获技术，看到每个转基因品系中Sr22，Sr35，Sr45和Sr50全长转录本的表达水平，与内源小麦基因的相似。同样，P19和P52中的Sr55转基因表达与内源基因相似，而P60中的表达较高。并通过实验证实了Sr22，Sr35，Sr50和Sr55在每个多转基因品系中起作用，但是无法确定Sr45的功能，尽管多转基因品系中Sr45 RNA表达水平与野生型相似。
综上所述，该研究表明将五个不同的Pgt抗性基因引入了三个独立的小麦品系中，作为多转基因盒，并且这些基因的全长副本已在每个品系中共整合到单个孟德尔基因座中。这些基因座赋予了对Pgt的高水平抗性和对Pgt的部分抗性，并在这五个基因中确认了四个基因的生物学功能。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-020-00770-x
