由条型柄锈菌（Puccinia striiformis f.sp. tritici，Pst）引起的小麦条锈病是全球范围内小麦生产上最具毁灭性的病害之一。许多曾经抗病的小麦品种随着毒力小种的进化抗性丧失变得感病。而防治条锈病最有效的途径仍是培育抗病品种。因此，小麦育种的当务之急是对小麦抗条锈病种质资源和抗病基因进行鉴定，为培育高效持久抗条锈病的小麦品种奠定基础。![]()
2024年10月23日，西南科技大学生命科学与工程学院小麦研究所周新力副研究员团队联合美国华盛顿州立大学植物病理学系陈贤明教授团队等联合在《Theoretical and Applied Genetics》在线发表了题为“Genome-wide mapping of quantitative trait loci conferring resistance to stripe rust in spring wheat line PI 660072”的研究论文，研究主要内容和结果如下：（1）表型评价
用Pst小种或分离株检测的AvS和PI660072的苗期表型如表1所示。AvS对所有小种感病（IT8-9），而PI660072对CYR31（IT2）、CYR32（IT3）、CYR34（IT2）和PST-YX1-3-1（IT2）均抗病。在大田实验中，AvS在3年和两个地点的IT为9，其最终DS值范围为90%-100%。相反，PI660072在所有田间遗传中均表现为高抗（IT 2，DS 10-20%）。RILs的IT值和DS值分别为0 ~ 9%和0 ~ 100%，表明PI660072的条锈病抗性是数量遗传的。IT和DS的广义遗传力分别为0.86和0.87。方差分析显示RILs群体、环境以及家系×环境互作之间的差异均达到极显著水平（P < 0.001），表明RILs群体中抗性基因是表型变异的主要来源。基于YL和MY数据，IT和DS的相关系数分别为0.73 ~ 0.95和0.68 ~ 0.95（P < 0.001）。表1 AvS、PI660072和筛选的15个F7RILs在温室苗期对不同条锈菌的侵染类型
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图1 AvS×PI660072的211个RILs群体平均IT和DS的频率分布图
（2）抗条锈病遗传分析
为了确定PI660072中抗条锈病基因的数量，进行了遗传分析。2020年在绵阳进行的F5田间试验中，170个家系表现抗病，41个家系表现感病（χ2=3.20;P=0.06）。2021年在绵阳F6田间试验中，抗病家系174个，感病家系37个（χ2=5.88;P=0.01）。2021年在杨凌F6田间试验中，172个家系表现抗病，39个家系表现感病（χ2=4.44P=0.03）。2022年在绵阳F7田间试验中，有167个家系抗病，44个家系感病（χ2=1.72;P=0.16）。2022年在杨凌F7田间试验中，170个家系表现抗病，41个家系表现感病（χ2=3.20;P=0.06）。这些结果表明PI660072对PST的抗感比符合3：1的分离比。表2 基于成株期和苗期鉴定结果通过遗传分析确定AvS×PI660072抗条锈病基因数
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在温室对F8用CYR32进行苗期鉴定，发现抗病家系167个，感病家系44个（χ2=1.72;P=0.16）；CYR34鉴定得到167个家系表现抗病，44个家系表现感病（χ2=1.72;P=0.16）；用PST-YX1-3-1接菌，其中174个家系抗病，37个家系感病（χ2=5.88;P=0.01）。因此，在所有试验中发现PI660072在自然条件下的抗性由两个基因控制。![]()
图2 AvS×PI660072RILs群体在5个环境下基于平均IT和平均DS检测到的抗条锈病QTL
（3）遗传连锁图谱
利用15K SNP芯片扫描DNA样品获得的基因型数据和田间表型数据，借助QTL IciMapping V4.1软件构建遗传图谱。使用15K SNP阵列共发现13946个SNP，其中13198个SNP具有已知的染色体位置，并且2344个SNP在两个亲本之间具有多态性。利用“BIN”筛选出冗余标记后，利用1949个SNPs构建了遗传连锁图谱。这些标记分布在所有21条小麦染色体的21个连锁群中，总长度为5164.6cM。遗传连锁图谱中每条染色体的标记数量范围从1D染色体的7个到3A染色体的248个，平均每条染色体有94个SNP标记。单个染色体的图谱长度从6A染色体的35.10cM到1A染色体的382.44cM。遗传连锁图中相邻SNP标记之间的平均距离从6A染色体的0.37cM到1D染色体的29.93cM。标记分布相对均匀地覆盖了小麦全基因组，基因组信息完整。表3 AvS×PI660072RILs群体遗传图谱的染色体定位、SNP数目、图谱长度和标记密度汇总
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图3 21条染色体上标记的密度分布
（4）QTL定位
为了鉴定PI660072的条锈病抗性基因，利用5个田间环境和3个条锈病小种温室苗期试验的基因型数据和条锈病表型数据进行了QTL分析。在作图群体中检测到2个抗条锈病主效QTL，分别位于2BL和4BL染色体上，命名为QYrPI660072.swust2BL和QYrPI660072.swust-4BL。两个QTL均来自PI660072。QYrPI660072.swust-2BL位于SNP标记AX-109547533和AX-111640532之间，分别位于376,495,312bp和682,801,798bp位置，相距约21.0cM。该QTL可解释10.04-24.77%的表型变异，LOD值为3.78-11.63。QYrPI660072.swust-4BL位于AX-109412222和AX-108847266之间，分别位于362,135,412bp和429,339,058bp位置，相距约1.5cM。该QTL对PVE的解释率为20.50-28.18%，LOD值为13.59-18.10。表4 基于成株期和苗期数据RILs群体QTL定位结果![]()
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图4 在2BL和4BL染色体遗传图谱上的抗条锈病QTL
（5）KASP标记的开发和验证
利用660K SNP芯片对亲本对应目标区间进行扫描，结果显示2B染色体上有65个差异SNP，4B染色体上有37个多态性SNP。在2B的物理位置上从378,866,738bp到682,801,798bp的65个SNP位点中24个被认为适合于转化为KASP标记。最终，三个KASP标记被开发，并对RILs群体进行基因分型。同样从4B的物理位置上跨越362,135,412bp至429,339,058bp的37个SNP位点中14个用于开发KASP标记。最终成功开发了四个KASP标记，并对RILs群体进行了基因分型。染色体2BL上的三个KASP标记为KASP-072-1269、KASP-072-7058和KASP-072-4948，染色体4BL上的四个KASP标记为KASP-072-3209、KASP-072-9918、KASP-072-2222和KASP-072-1793。3个2BL KASP标记的SNPs分别为AX-108941269（682，743，322 bp）、AX-108757058（640，086，397 bp）和AX-11114948（655，225，005 bp）；4BL上的KASP标记为AX-109493209（385，557，144 bp）、AX-110399918（376，431，384 bp）、AX-109412222（362，135，412 bp）和AX-111501793（404，838，495 bp）。2BL上的KASP标记KASP-072-1269和4BL上的KASP-072-3209与目标QTL紧密连锁。在标记AX-111022564和AX-109296842之间，有7个家系的基因型和表型，表明与QYrPI660072.swust-4BL相关的抗性具有较高的重组频率。QYrPI660072.swust-4BL位于侧翼标记AX-109412222和AX-108847266之间，遗传距离为1.5cM。通过全基因组关联分析和SNP芯片分析验证后，这两个标记可用于针对4BL的分子标记辅助育种。表5 QYrPI660072.swust-4BL的遗传区间AX-109412222和AX-108847266之间7个RILs的SNP基因型
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（6）单个QTL及其组合的效应
为了评估这两个QTL的单个和组合时对IT和DS的效应，基于与这两个QTL紧密连锁的标记将211个RILs分成不同的基因型组。不含这两个QTL的RILs的MIT为6，MDS为54.9%；仅携带QYrPI660072.swust-2BL的RILs MIT为4，MDS为30%；仅携带QYrPI660072.swust-4BL的RILs MIT为3、MDS为23%；携带这两个QTL的RILs的MIT为2，MDS为11%。结果表明，携带这两个QTL的RILs具有最高的抗性水平。仅携带QYrPI660072.swust-4BL的RILs的IT和DS低于仅携带QYrPI660072.swust-2BL的RILs。结果表明，组合不同的QTL可通过加性效应互作提高抗病水平。![]()
图5 组合QTL对条锈病的影响
（7）QTL抗性类型的确定
基于SNP标记数据，9个家系仅具有QYrPI660072.swust-2BL和6个家系仅具有QYrPI660072.swust-4BL分别代表仅含有单个QTL的家系中的QYrPI660072.swust-2BL和QYrPI660072.swust-4BL。这15个家系在所有田间试验中在成株期均表现为高抗或中抗。在温室中的苗期阶段用CYR31、CYR32、CYR34和PST-YX1-3-1进一步测试这些家系，并且由四个Pst小种或分离物产生的它们的侵染类型如表1所示。具有QYrPI660072.swust-2BL的9个家系对4个小种（IT0-5）的抗性与它们的田间抗性（IT1-4）相似；6个QYrPI660072.swust-4BL家系对3个小种的抗性表现为中感（IT7），与田间试验中的高抗或中抗（IT2-5）不符。基于这些结果作者得出结论，QYrPI660072.swust-2BL赋予ASR，QYrPI660072.swust-4BL提供APR。结果证实了先前前人研究中PI660072中ASR和HTAP均表现抗病的结论。![]()
图6 仅含QYrPI660072.swust-2BL的9个家系和仅含QYrPI660072.swust-4BL的6个家系对小麦条锈菌的表型鉴定
本研究为了阐明PI660072的抗病性遗传基础，以感病春小麦Avocet S为母本，通过杂交构建了由211个F5-F7重组自交系组成的定位群体。在2020年至2022年期间，对作图群体在5个田间环境中的条锈病反应进行表型鉴定，并利用15K SNP阵列进行基因分型，以定位条锈病抗性位点。另外，利用中国Pst优势小种CYR31、CYR32、CYR34和PST-YX1-3-1对作图群体进行了苗期温室鉴定。利用QTL定位方法定位出2个抗条锈病基因，2BL上的ASR基因QYrPI660072.swust-2BL和4BL上的APR基因QYrPI660072.swust-4BL。为了促进分子标记辅助选择育种，对QYrPI660072.swust-2BL开发了KASP标记KASP-1269并对QYrPI660072.swust-4BL开发了KASP标记KASP-3209。这些标记可用于将QTL导入小麦新品种。另外，还评估了这两个QTL单个和组合时对IT和DS的效应，结果表明携带这两个QTL的RILs具有最高的抗性水平，组合不同的QTL可通过加性效应互作提高抗病水平。而QYrPI660072.swust-2BL和QYrPI660072.swust-2BL是否是新基因或已知基因仍需要进一步研究。
