2024年8月，印度泰米尔纳德邦农业大学等单位在Theoretical and Applied期刊发表了题为 “Wheat improvement through advances in single nucleotide polymorphism (SNP) detection and genotyping with a special emphasis on rust resistance” 的研究论文。在这篇综述中，作者提供了 SNP 标记在小麦育种中的历史发展和前景，特别是抗锈病，其中超过 50 个基因位点已通过 SNP 标记进行了表征。抗锈病性是小麦育种最重要的性状之一，因为导致锈病的锈菌新菌株在全球范围内频繁进化。
小麦是最重要的主粮作物之一。亚洲占世界小麦产量的44%，其次是欧洲（34%）和美洲（15%）。中国、印度、俄罗斯、美国和法国是主要生产国，占全球小麦产量的 50% 以上。到 2050 年，人口预计将达到 97 亿，这意味着到 2050 年需要额外增加 1.32 亿吨小麦。因此，除了应对生物和非生物胁迫带来的挑战外，还需要持续提高小麦产量 。由真菌锈菌引起的锈病等疾病严重威胁着全球小麦生产。小麦锈病分为三种类型：叶锈病（由小麦叶锈菌引起）、条锈病（P. striiformis f. sp. tritici）和茎锈病（P. graminis f. sp. tritici），每种锈病在流行高峰期都会造成严重的产量损失 。在全球范围内，小麦锈病通常通过杀菌剂的应用和遗传抗性（抵抗病原体感染的先天能力）来控制。后一种策略至关重要，因为它们耐用、具有成本效益且环保。锈病的遗传抗性有两种主要类型：全生育期抗性（ASR）和成株期抗性（APR）。ASR，也称为幼苗抗性，在幼苗出苗后的所有生长阶段都很活跃。ASR 具有种族特异性并受主要基因控制。相比之下，APR 是定量的，由具有累积效应的小基因控制。APR 进一步分为早期 (APR I) 和晚期 (APR II) APR。APR I 是指从第四叶阶段观察到的抗性，通常具有种族特异性，对选定的病原体种族有效。相比之下，APR II 的抗性仅在旗叶阶段明显，并且可能对抗特定或多种病原体，但主要不具有种族特异性。基于单核苷酸多态性 (SNP) 的标记在筛选和利用小麦重要农艺性状方面正日益获得动力。迄今为止，在现代小麦品种和地方品种中已检测到超过 2.6 亿个 SNP。这一快速的 SNP 发现是通过发布小麦及其野生近缘种的近乎完整的参考和泛基因组组件，再加上数千个小麦种质的全基因组测序 (WGS) 来实现的。此外，一系列芯片（9 至 820K）（一种具有成本效益的替代 WGS）促进了定制 SNP 位点的基因分型。最近，种质特异性 SNP 芯片被引入来表征新性状并检测紧密连锁的 SNP，以用于标记辅助育种。随后，引入竞争性等位基因特异性 PCR (KASP) 检测来快速大规模筛选特定 SNP 标记。此外，随着测序成本的进步和降低，通过突变并结合下一代测序和比较基因组分析来人工生成 SNP 的机会出现了充足的机会。
通过筛选栽培小麦及其野生近缘种的种质，已鉴定出 200 多个抗锈病（R）基因。迄今为止，在小麦中定位了 920 个抗锈病数量性状基因座 (QTL)，其中分别有 406、296 和 180 个抗条锈病、叶锈病和茎锈病 QTL。随着对广泛部署的抗性基因具有毒力的秆锈菌新致病型的频繁进化，数量稳步增加；因此，替换失效基因是小麦育种者的一项日常任务。基因发现的进一步增加归因于通过使用分子标记和比较基因组学来快速表征新抗性基因的能力。从历史上看，小麦育种中标记的密集使用始于 20 世纪 90 年代，当时使用基于杂交的限制性片段长度多态性 (RFLP) 标记。这里，使用短DNA序列探针区分由于限制酶位点的差异而产生的不同长度的DNA片段。RFLP 标记被基于 PCR 的标记的出现所取代，例如随机扩增多态性 DNA (RAPD)、扩增片段长度多态性 (AFLP) 和简单序列重复 (SSR)，这些标记涉及使用随机或序列特异性引物进行 DNA 序列扩增。其中，SSR因其位点特异性、共显性、高水平的多态性和可重复性而成为育种者的首选标记。后来，随着新一代测序 (NGS) 的发展，单个或几个核苷酸水平的变异（称为单核苷酸多态性 (SNP) 和插入/缺失 (InDels)）作为标记而受到欢迎。自然地，SNP 是通过导致转变（嘌呤或嘧啶内的变化）和颠换（嘌呤和嘧啶之间的互换）的点突变而产生的，而 InDels 则是由于少量核苷酸或短 DNA 片段的插入或删除而产生的。然而，由于高通量基因分型的成本和限制，除了在任何给定基因组中的丰度外，SNP 也比 InDels 更受欢迎。
使用 SNP 标记绘制抗锈病基因图谱
SNP 广泛用于构建与锈病抗性相关的主要基因和 QTL 的遗传连锁图谱。它涉及与抗性相关的标记的定位和识别，并且基于使用绘制群体进行的标记-性状关联分析。第二子代（F2）、重组自交系（RIL）、双单倍体系（DHL）、回交自交系（BIL）和近等基因系（NIL）是绘制锈病抗性位点常用的作图群体。到目前为止，已经绘制了 296 个基因位点，其中包括 50 个指定的叶锈病 R 基因，406 个基因座，包括 39 个指定的条锈病 R 基因，以及 180 个基因座，包括 65 个指定的茎锈病 R 基因。其中，使用SNP和上述双亲定位群体之一对35个叶锈病抗性（Lr）、30个茎锈病抗性（Sr）、17个黄/条锈病抗性（Yr）基因和大量QTL进行了定位。全基因组关联研究（GWAS）或连锁不平衡（LD）作图通常用于识别新的 QTL，特别是来自种质或多亲先进一代交叉（MAGIC）和基于巢式关联作图（NAM）的分离群体。此外，结合连锁和关联作图方法对于检测新的 QTL 仍然有效。最近，单倍型分析已成为基因作图的实用方法。SNP单倍型是指两个或多个共同遗传且彼此之间具有强LD的多态性SNP。单倍型标记比用于性状预测的单个 SNP 更准确，可用于鉴定小麦锈病抗性基因。此外，对 Lr21、Lr42、Sr13、Sr21、Sr22b、Sr60、Sr62、Yr5 和 Yr28 ASR 以及两个多效性（Lr34/Yr18/Sr57 和 Lr67/Yr46/Sr55）APR II 基因的潜在候选基因的鉴定导致了 诊断 SNP 标记的鉴定。
表1 克隆的抗锈病基因的诊断SNP标记
小麦前基因组测序时代的SNP鉴定
在对农作物及其野生物种的基因组进行测序之前，SNP 鉴定严重依赖于来自 RFLP 探针和表达序列标签 (EST) 的序列信息（图 1）。RFLP探针是指用于区分限制性片段之间的大小差异或多态性的DNA序列标签，而EST是指功能基因的cDNA序列。
图 1 SNP 发现和基因分型的技术进步及其对作物改良的影响
