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小麦茎基腐病(Fusarium crown rot, FCR)是一种主要由假禾谷镰刀菌（Fusarium pseudograminearum）引起的严重危害小麦生产的世界性土传病害，广泛分布于全球干旱和半干旱地区。为了确定 FCR 抗性的新来源并剖析 FCR 抗性的复杂性，在生长室 (GR) 和温室条件 (GH) 下对 161 份小麦种质进行了表型分析。结果：
1.不同小麦品种对FCR的反应不同
对 161 份小麦种质进行筛选发现，小麦感病和发病过程存在很大差异。方差分析表明，在GR（生长室）和GH（温室）条件下小麦品种间的抗性存在显著差异。结果显示，在GR条件下，161个小麦种质中15%为MR(中抗)，24%为MS（中感），55%为S（感病），6%为HS（高感）；在 GH 条件下，161个小麦种质中5%为MR，40%为MS，45%为S，10%为HS（图 1）。![]()
表1 对GR和GH中 161 份小麦品种的发病情况进行方差分析![]()
图1 在GR和GH条件下161份小麦种质的FCR抗性评价
2.小麦亚基因组A、B和D中多态性SNP的密度有所不同剔除所有单态性标记后，共获得23,364个多态性SNP位点。其中，86%（20,116个）的SNP位点位于90K SNP共识图谱中。结果显示，小麦基因组A、B、D中多态性SNP标记分布不均（图2）。2B 染色体上SNP数量最多（1892个 ，9.71%），4D染色体上SNP数量最少（62个，0.31%）。161 份小麦种质中所有 SNP 标记覆盖的总基因组距离为 3653 cM，标记密度为18.15cM。![]()
图2 SNP标记在小麦基因组中的分布
3.在161份小麦种质资源中，LD（连锁不平衡）在 21 条染色体上存在差异
使用 20,116 个已被映射的 SNP 来估计全基因组 LD。将 LD 的 r2 值与 cM 中的遗传距离作图。LD 的临界值为 0.1，高于此值的 LD 被认为是由于遗传连锁引起的。A、B 和 D 基因组的全基因组 LD 分别为 3.9、4.19 和 6.06 cM（图 3）。染色体臂上显著标记-性状关联两侧 3.9 至 6.06 cM 的基因组区域被定义为“QTL区域”。这些区域中所有显著关联的为单个QTL。小麦亚基因组（A、B或D）中不同染色体区域的 LD 衰减不同。最高 LD 值出现在 2A 染色体上，而最低 LD 值出现在 1D 染色体上。![]()
图3 小麦基因组 A、B 和 D 的全基因组LD衰减 (A)跨A基因组的LD (B)跨B基因组的LD (C)跨D基因组的LD (D)跨整个ABD基因组的LD
4.PCA分析表明，161份小麦种质之间的遗传亚结构最小
PCA分析将161份小麦种质为两个亚组（图4）。第一个主成分（6.19）表现出的低遗传变异没有显示明显的子结构。第一个组由89份冬小麦种质资源组成，第二个组由72份小麦种质资源组成。
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图4 161份小麦种质的主成分分析
5.GWAS分析定位与抗FCR相关的QTLs
使用带有亲缘关系矩阵的混合线性模型（MLM-P+K）识别各环境与FCR抗性相关的QTLs。在GR条件下，有7个QTLs位于染色体2AL、3AS、4BS、5BS、5DS、5DL和6DS上与FCR抗性相关，而在GH条件下，有8个QTLs位于染色体3AS、3BS、3DL、4BS、5BS、5BL、6BS和6BL上与FCR抗性相关（图5）。在 4BS 染色体上识别出的 QTL 数量最多（3个）。在 GR 下，5BS 染色体上的 QTL 效应最强（R2=9%），而在 GH 下，3DL染色体上的 QTL 效应最强（R2=11.22%）（表2）。在GR和GH条件下鉴定的所有QTLs解释了48%和59.48%的变异（表2）。染色体3AS、4BS和5BS上的基因组区域在GR和GH条件下都与FCR抗性相关联，并且在两种环境中显示出相似的QTL效果。这一区域在两种环境条件下都对FCR表现出稳定的响应，这些QTLs可能是培育FCR抗性的有前景的候选基因。![]()
图5 161份小麦品种抗FCR的遗传结构
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表2 在GR和GH条件下与FCR相关的QTLs
6.上位性互作影响FCR感病的表达和发病
在 GR 和 GH 条件下，每 10 对 FCR 抗性的 QTLs 之间都检测到上位性 QTL 相互作用（有主效应和无主效应）（图 5）。在 GR 条件下，QTLs 之间的双基因互作解释了 12.24–16.14% 的表型变异，而在 GH 条件下的互作解释了 9.64–20.11% 的表型变异（表 3）。大多数上位性互作不涉及主要QTL。然而，在GR条件下，染色体4BS上主效QTL（6.78 cM）与染色体2AL上QTL（104.13 cM）之间的上位性互作解释了5.2%的表型变异；在GH条件下，两个主效QTLs（染色体4BS上的QTL（75.65 cM）和染色体3DL上的QTL（143.01 cM））之间的互作解释了2.65%的变异。这表明，多个QTLs（加性-加性上位性互作）可以影响FCR抗性的表达。![]()
表 3 在GR和GH条件下与FCR相关的上位性互作
7.计算机分析预测与 FCR 相关的防御相关基因
进行生物信息学分析，发现大多数识别出的基因/蛋白质参与了多种生物学过程，如碳水化合物运输和代谢、信号转导、细胞周期控制以及对刺激的反应。在2AL、3AS、5DS、5DL、3BS、3DL、4BS、6BS和6BL染色体上识别出的11个QTLs与参与植物-病原体相互作用的基因相关（表4）。在5BS染色体上的一个QTL与一个预测参与非生物胁迫的基因相关。另外三个QTLs位于4BS、3AS和5BS染色体上，与功能未知的基因/蛋白质相关。在3BS染色体上，标记CAP12_rep_c3868_270（5.86 cM）的侧翼序列注释识别出了Traes_3B_1396EA938.2（W5CNP7）基因，该基因编码与Fhb1相关的NAD(P)(+)结合蛋白（表4），NAD(P)(+)结合蛋白能够增强小麦对赤霉病的抗性。同样，与4BS、6DS（Traes_6DL_E31AB6EED (W5H0C4)/Traes_6DL_5BE701A64
(W5GWI8)）、6BS（Traes_6AS_33690B236 (W5GCQ4)）和6BL（Traes_6BL_9CFA54D4A,
W5GLE7）上的QTL相关的基因/蛋白质能够减少赤霉病的传播和严重程度。在5AS、2AL和4BS染色体上的上位性QTL的注释检测到了与赤霉病传播、严重程度和脱氧雪腐镰刀菌烯醇产生相关的蛋白质。本研究还发现两个与5AS和7AL上的上位性QTL相关的蛋白质，与Fhb1相关影响赤霉病的感染和严重程度。
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表4 计算机识别的与FCR相关的 QTL 基因/蛋白质及其在GR和GH下的推定功能
