小麦抗病性挑战与全球策略：从基因编辑到精准表型平台的可持续解决方案

这篇综述系统阐述了小麦抗病育种面临的病原菌进化、杀菌剂抗性及品种更替等核心挑战，提出了整合多基因抗性（APR）、基因组选择（GS）和CRISPR-Cas9基因编辑等全球策略，强调通过精准表型平台（PPP）和移动病原诊断系统（MARPLE）实现抗病品种的快速部署，为保障全球小麦安全提供科学路径。

　　

小麦抗病性的挑战与全球应对策略

引言

全球每年2.2亿公顷的小麦种植面临50余种病害威胁，其中由锈菌（Puccinia spp.）、赤霉病菌（Fusarium graminearum）和小麦瘟病菌（Magnaporthe oryzae pathotype Triticum, MoT）引起的病害最为严重。尽管过去十年全球小麦产量保持增长，但病原菌的快速进化（如Ug99谱系秆锈菌）和杀菌剂抗性（如Triadimefon不敏感条锈菌）持续威胁生产安全。

锈病：持续演变的威胁

秆锈病（SR）、条锈病（YR）和叶锈病（LR）分别由Puccinia graminis tritici（Pgt）、Puccinia striiformis tritici（Pst）和Puccinia triticina引起。东非高地的连续小麦种植为锈菌提供了全年 inoculum 来源，而气传 urediniospores 可实现跨大陆传播。例如：

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  Ug99谱系：1998年在乌干达发现后，已分化出16个 races，扩散至15国，其变体TTKTT携带对Sr31/Sr24/SrTmp的复合毒性。

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  Clade IV谱系：2013年在埃塞俄比亚引发流行病，其亚群TKFTF于2024年首次出现在南亚。

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  条锈菌遗传组：PstS1/S2组从东非扩散至欧美，其高温适应性加剧了流行风险。

赤霉病与小麦瘟病：毒素与种子传播的双重危机

赤霉病（FHB）导致 DON 毒素污染，全球年损失达7.67亿美元（1993-2001年美国数据）。小麦瘟病（WB）自1985年在南美暴发后，2016年通过种子贸易传入孟加拉国，2N^VS易位虽提供广谱抗性，但新MoT isolates已出现毒性突破。

抗病育种的核心挑战

1. 1.

   病原菌进化与迁移：气候变暖和国际贸易加速了Ug99和Clade IV等谱系的扩散。

2. 2.

   杀菌剂抗性：条锈菌对三唑类、FHB对苯并咪唑类、WB对QoIs的敏感性下降。

3. 3.

   品种更替滞后：尼泊尔38%麦区仍种植20年前的老品种，埃塞俄比亚通过DNA指纹发现抗锈品种Kakaba覆盖率仅40%。

全球策略：从基因到田间

1. 1.

   多基因抗性整合：

   • •

     克隆的Lr34/Yr18/Sr57（ABC转运蛋白基因）与Lr67/Yr46（己糖转运蛋白突变体）等 pleiotropic APR 基因可协同提供广谱抗性。

   • •

     转基因多基因盒（如Sr22/Sr35/Sr45/Sr50/Sr55串联）在田间表现近免疫抗性。

2. 2.

   精准表型平台（PPP）：

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     肯尼亚Njoro平台筛选出抗Ug99的品种Danda'a，埃塞俄比亚Debre Zeit平台专注于硬粒小麦抗性。

   • •

     玻利维亚和孟加拉的WB平台年筛选8,000份材料，鉴定出非2N^VS抗源Rmg8。

3. 3.

   基因组选择（GS）与基因编辑：

   • •

     GS对条锈病（预测精度0.71）和WB（精度0.8）表现优异，但FHB因遗传复杂精度仅0.36-0.59。

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     CRISPR敲除TaMlo基因赋予白粉病抗性，而rwt4缺失可增强Rmg8对WB的效果。

4. 4.

   移动诊断与品种推广：

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     MARPLE系统通过纳米孔测序在2天内鉴定田间锈菌谱系，已在埃塞俄比亚监测到CYP51突变导致的杀菌剂抗性。

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     孟加拉国通过停种感病品种Bari Gom 26，3年内使抗WB品种Bari Gom 33覆盖率提升至30%。

结论

通过整合传统育种（如APR基因聚合）、现代生物技术（如HB4^?转基因小麦）和智能监测（如MARPLE），全球小麦抗病体系正从被动应对转向主动设计。未来需加强抗源多样性（如发掘Fhb7新QTL）和南半球育种能力，以应对病原菌与气候变化的双重压力。