美国硬冬小麦条锈病抗性位点的全基因组关联分析：挖掘抗性资源，助力小麦育种

为鉴定美国硬冬小麦条锈病抗性来源，研究人员开展全基因组关联研究，发现新位点，为育种提供支持。

　　小麦作为全球重要的主食作物，为约 40% 的人口提供热量。在美国，小麦种植面积、产量和农业总收入均位列前三，其中冬小麦占美国小麦总产量的约 70%，硬冬小麦（HWW）又是冬小麦中产量最高的类型 。然而，全球小麦生产面临着生物和非生物胁迫的挑战，条锈病就是其中之一。条锈病由条形柄锈菌小麦专化型（Puccinia striiformis f. sp. tritici，Pst）引起，是一种极具破坏性的小麦病害，在全球 60 多个国家均有发生，可导致高达 100% 的产量损失，每年给全球造成超过 10 亿美元的损失。美国大平原地区是硬冬小麦的主产区，近年来条锈病愈发严重，已成为最具破坏性的谷类锈病。

为了应对条锈病的威胁，培育具有持久条锈病抗性的小麦品种是最经济有效且环保的策略。条锈病抗性基因（Yr）分为全生育期抗性（ASR）和成株期抗性（APR）。ASR 在小麦生长的各个阶段都有效，但具有小种特异性，容易因病原菌变异而失效；APR 较为持久，但通常在苗期无效，且在不同环境下抗性表现存在差异。目前，虽然已鉴定出众多 Yr 基因，但由于毒性 Pst 小种的出现，许多已应用于商业小麦品种的 ASR 基因和部分 APR 基因不再有效。因此，挖掘新的抗性基因和位点，评估现有育种材料的抗性，对小麦育种至关重要。

在此背景下，美国多个研究机构的研究人员展开了一项研究，相关成果发表在《Theoretical and Applied Genetics》上。研究人员使用了由 459 个美国硬冬小麦育种系和品种组成的群体，这些材料来自美国农业部农业研究服务局（USDA-ARS）以及多个公共和私人育种项目。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是全基因组关联研究（GWAS），利用该方法检测与条锈病抗性相关的基因位点，相较于传统的双亲连锁作图，GWAS 具有更高的定位分辨率，能利用自然群体的遗传多样性，节省时间和资源。其次，研究人员使用了多重限制性扩增子测序（MRASeq）技术进行基因分型，该技术可构建用于 SNP 发现和基因分型的扩增子文库，且 SNP 在基因组中均匀分布，是一种低成本、高通量的基因分型平台。

研究结果如下：

• 表型数据分析：在苗期，只有 7 - 14% 的基因型对 Pst 小种表现出抗性，且分布偏向感病；而成株期，32 - 78% 的基因型表现出抗性，分布偏向抗病。这表明该群体中存在 APR。研究还发现，16 个基因型在苗期对所有测试的 Pst 小种均表现出抗性，且在成株期田间环境中也具有稳定的抗性，这些基因型是宝贵的 ASR 来源。此外，研究人员还观察到，不同地区的抗性表现存在差异，如在气候较温暖干燥的奇卡沙（Chickasha）和罗斯维尔（Rossville），抗性水平较高；而在气候较凉爽潮湿、Pst 毒性多样性较高的弗农山（Mount Vernon）和普尔曼（Pullman），抗性水平较低。
• 基因分型、群体结构和连锁不平衡：通过 MRASeq 对 459 个 HWW 基因型进行基因分型，共获得 9858 个高质量 SNP。这些 SNP 在 A、B、D 基因组上均有分布，其中染色体 2A 上的 SNP 密度最高。研究还发现，一些已知的 Yr 基因，如 Yr17、Yr29 等在该群体中频率较高，而 Yr5 和 Yr15 频率较低。主成分分析（PCA）显示该群体结构较弱，表明大平原 HWW 基因型之间亲缘关系较近。基因组范围内的连锁不平衡（LD）平均在 0.8 Mb 内下降到 r²为 0.1。
• 标记 - 性状关联：利用 BLINK 模型进行 GWAS 分析，共鉴定出 110 个与条锈病抗性相关的显著 SNP，对应 109 个独特的数量性状位点（QTL）。其中，59 个位于 A 基因组，33 个位于 B 基因组，17 个位于 D 基因组。在苗期，有 31 个 SNP 与条锈病抗性相关；在成株期，有 79 个 SNP 与条锈病抗性相关。此外，研究还发现，31 个 SNP 在多个测试 / 环境中与条锈病抗性相关，这些 SNP 具有较高的稳定性，可用于标记辅助育种。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次全面调查了美国当代硬冬小麦群体中的条锈病抗性位点。研究揭示了该群体中 APR 普遍存在，但 ASR 来源有限。鉴定出的 16 个具有广谱抗性的基因型，可作为小麦育种计划中宝贵的 ASR 来源。通过 GWAS 分析，研究人员发现了多个与条锈病抗性相关的 SNP，其中 40 个为新位点，这将有助于增强小麦条锈病抗性育种，丰富抗性来源。此外，研究还发现一些已知的 Yr 基因可能存在于该群体中，为进一步研究和利用这些基因提供了基础。研究中鉴定出的 32 个含有大量条锈病抗性等位基因的小麦基因型，可能具有持久的条锈病抗性，为小麦育种提供了重要的材料。

综上所述，该研究成果对于提高小麦条锈病抗性，保障小麦产量和质量具有重要意义，为小麦育种工作提供了新的思路和资源。