综述：高粱真菌病抗性性状的遗传基础解析

《Phytopathology Research》：Unraveling the genetic basis of resistance traits for fungal diseases in sorghum

本文综述了高粱真菌病抗性遗传研究进展，涉及（QTL）定位等技术及相关基因挖掘。

　　背景：高粱（Sorghum bicolor）作为一种重要的粮食和饲料作物，在全球粮食安全中占据关键地位，尤其在干旱和半干旱地区，是约 5 亿人的主食。它具有高生物量产量、快速生长、C₄光合作用、抗逆性强以及基因组紧凑等特点，在生物能源作物研究方面极具潜力。然而，全球粮食安全面临诸多挑战，如 2021 年全球有 828 万人受饥饿影响，预计到 2030 年仍有 6.7 亿人营养不良。高粱种植也受到生物和非生物胁迫的制约，其中真菌病是主要威胁之一，会显著降低高粱的产量和品质。因此，培育抗病高产品种对保障全球粮食供应至关重要，而了解高粱真菌病抗性的遗传基础是实现这一目标的关键。

主要影响高粱的真菌病：高粱常见的病害包括真菌、细菌和病毒引起的疾病，其中真菌病危害最大。炭疽病（Anthracnose）可导致高达 86% 的产量损失，霜霉病（Downy mildew）、粒霉病（Grain mold）、叶枯病（Leaf blight，可造成高达 70% 的产量损失）、丝黑穗病（Smut）、锈病（Rust）、麦角病（Ergot，可导致高达 80% 的产量损失）、炭腐病（Charcoal rot）、靶斑病（Target leaf spot）、带斑病（Zonate leaf spot）和灰斑病（Gray leaf spot）等都是主要的真菌病害。这些病害的危害程度取决于作物生长阶段、品种的易感性以及生态环境条件。一些真菌病在高粱种植区已达到流行程度，因此开发和利用抗病基因型是减少高粱因真菌病原体导致产量损失的有效策略。

高粱的遗传资源：高粱起源于非洲，尤其是埃塞俄比亚和苏丹，印度、苏丹和尼日利亚是其次级多样性中心，拥有丰富的遗传变异。高粱根据穗形态可分为初级种族和中间类型。利用遗传资源对增强高粱对真菌病的抗性和保障全球粮食安全至关重要，热带种质资源在抗病育种中具有重要价值。美国农业部农业研究服务植物遗传资源保护单位（USDA - ARS - PGRCU）、国际半干旱热带作物研究所（ICRISAT）和印度农业研究委员会国家植物遗传资源局（ICAR - NBPGR）保存了大量的高粱种质资源。其中，USDA - ARS - PGRCU 有 48,626 份收藏，ICRISAT 管理着 42,869 份来自 93 个国家的高粱种质，ICAR - NBPGR 保存了 20,459 份高粱种质。

高粱的基因组资源：基因组资源对于理解基因功能和辅助基因组育种至关重要。高粱是二倍体 C₄草本植物，有 10 条染色体。最初通过 Sanger 测序对 BTx623 自交系的高粱基因组进行测序，促进了全基因组分析并鉴定出遗传变异。比较甜高粱和粒用高粱品种的基因组发现了多种遗传变异，包括单核苷酸多态性（SNPs）、插入 / 缺失（indels）、存在 / 缺失变异（PAVs）和拷贝数变异（CNVs）。目前高粱的参考基因组版本为 3.1.1，包含超过 34,000 个注释基因，其基因组组装结合了 PACBIO 覆盖和先进的生物信息学工具，提高了组装准确性和转录本组装水平。

真菌病抗病基因的鉴定：在非洲中西部多雨和高湿度地区种植的高粱种质是抗真菌病基因的重要来源。对高粱自然变异进行表型分析有助于鉴定抗病资源，高抗种质可作为育种中抗病基因的宝贵来源。通过基因定位可以将鉴定出的基因整合到后续育种计划中。例如，通过 BSA - Seq 对炭疽病抗性基因 2（ARG2）进行精细定位，发现其位于高粱 5 号染色体上的一个 6.3 Mb 区域，该区域包含 20 个推定基因。后来确定 ARG2 为 NLR1，它位于质膜上，在相关作物物种中有保守的同源物。此外，炭疽病抗性基因 ARG4 和 ARG5 编码典型的核苷酸结合富含亮氨酸重复（NLR）受体，是在不同高粱品系中鉴定出的显性抗性基因，位于 8 号染色体上，表明它们具有广谱抗炭疽病能力。高粱对黍疫病（milo disease）的易感性由一个单一半显性基因 Pc 控制，通过构建高密度遗传图谱将 Pc 基因定位到 9 号染色体短臂上的 0.9 cM 区域。高通量测序技术、全基因组关联研究（GWASs）和转录组分析在揭示真菌抗性的遗传基础方面发挥着关键作用。

真菌病抗性的数量性状位点（QTL）定位：QTL 定位是鉴定与复杂性状（如抗病性）相关的基因组区域的有力工具。复杂性状的遗传结构通常由多个基因或等位基因控制，每个基因的作用较小。利用高粱种质或育种材料中的自然遗传变异进行关联分析，为 QTL 检测提供了丰富资源。例如，在对高粱重组自交系（RIL）群体 BTx623/BTx642 和 BTx623/SC155 - 14E 进行靶斑病抗性评估时，鉴定出 4 个靶斑病（TLS）抗性 QTLs，其中 3 个是新发现的，BTx623/BTx642 RIL 群体中 5 号染色体上的一个主要 QTL 与之前鉴定的 TLS 抗性基因 ds1 相对应。QTL 检测需要构建映射群体（如 RILs 或双亲群体），对群体进行抗病性状表型分析和分子标记基因分型，然后通过统计分析确定特定基因组区域与观察到的抗性表型之间的关联。先进技术如高通量基因分型和下一代测序（NGS）显著提高了 QTL 定位的有效性和分辨率。

基因分型测序（GBS）：新一代测序（NGS）技术的进步使 DNA 测序成本降低，GBS 方法得以应用于具有大量遗传多样性的大基因组物种，避免了确定偏差。在高粱研究中，大规模 GBS 数据被用于阐明基因组多样性模式，并绘制与复杂性状变异相关的基因组位点。基于 GBS 的 QTL 分析在不同环境中鉴定出多个与高粱霜霉病（SDM）抗性相关的 QTLs，如 qDMR1.2、qDMR3.1、qDMR5.1 和 qDMR6.1 等，并揭示了相关的候选基因。GBS 同时进行 SNP 发现和基因分型，无需事先了解物种的基因组信息，但不同项目中用于 SNP 检测的参数或参考基因组存在差异，阻碍了数据集的比较和重用，因此整合公共 GBS 数据成为必要。

高粱的全基因组关联研究（GWAS）：GWAS 或关联映射（AM）是一种基于连锁不平衡（LD）原理，用于建立 DNA 标记与目标性状之间显著关联的方法，是对传统基于连锁的 QTL 定位的补充。通过对高粱种子真菌菌群分析和 GWAS 扫描，鉴定出与低种子劣变和出苗率相关的位点及候选基因，这些基因的结构域与系统获得性抗性相关，表明它们参与病原体识别和下游信号传导。在高粱抗丝黑穗病的研究中，GWAS 鉴定出多个潜在的抗病基因，如 2 号染色体上的 F - box 编码基因、9 号染色体上的锌指蛋白等。此外，GWAS 还鉴定出与粒霉病和锈病抗性相关的位点，其中一些位点包含与已知抗病基因同源的基因，这些发现有助于高粱抗病育种中的标记辅助选择（MAS）。

功能基因组学方法：功能基因组学旨在研究基因在整个基因组中的功能及其相互作用。高粱研究人员利用基因组测序、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等技术，鉴定参与抗真菌病原体防御反应的关键基因和途径。通过 GWAS 和 QTL 定位确定与抗性性状相关的基因组区域后，进一步对这些区域的基因进行功能表征。

通过 RNA 测序进行转录组分析：转录组分析通过研究 RNA 表达，揭示基因在真菌感染过程中的差异表达情况。炭疽病感染会导致高粱抗病和感病品种的转录组发生变化，数千个基因上调或下调。对水杨酸（SA）敏感（BTx623）和耐受（WHEATLAND）的高粱品系进行转录组分析发现，SA 通过激活多个免疫相关基因和途径增强炭疽病抗性。在高粱粒霉病抗性研究中，对两个高粱基因型（抗粒霉病品种 RTx2911 和易感品种 RTx430）的籽粒发育过程进行转录组分析，发现与模式识别受体（PRRs）、生长和防御平衡调节因子、抗菌肽、病程相关蛋白等相关的基因表达增加与抗性相关。

结论和未来展望：高粱在气候变化背景下具有重要意义，但真菌病原体严重威胁其产量和可持续性。尽管高粱的遗传和基因组研究落后于主要谷物，但测序技术的发展为研究与真菌抗性相关的 SNPs 提供了新途径。功能基因组学和系统生物学方法已鉴定出一些候选基因和途径，但仍需进一步探索，特别是在基因表达谱分析方面，以阐明高粱抗逆性的复杂遗传机制，包括基因和非编码 RNA。通过共同努力和应用新技术，有望增强高粱对真菌病原体的抗性，保障粮食和营养安全。