研究背景
大麦(Hordeum vulgare)是全球重要的谷物之一,广泛用于食品、饲料和啤酒酿造。然而,叶锈病、白粉病等多种病害对大麦生产构成重大威胁。随着气候变化加剧,病害发生模式变得更加复杂和不可预测,传统的抗病育种方法在应对这些变化方面显得不足。基因库中保存了大量大麦的野生及古老栽培品种,这些基因型具有丰富的遗传多样性,为挖掘新的抗病基因提供了潜在资源。
在Journal of Experimental Botany发表的文章"Capitalizing on genebank core collections for rare and novel disease resistance loci to enhance barley resilience",利用大麦基因库核心资源,结合全基因组关联分析(GWAS)和多环境试验,系统性地探索了大麦中的稀有及新抗病基因,旨在提高大麦对复杂环境的适应性和抗病能力。
研究结果
1.基因库资源的遗传多样性揭示
研究团队首先对来自全球的1110个大麦基因型进行了全基因组测序,揭示了基因型之间的遗传多样性和连锁不平衡(LD)特性。结果显示,这些基因型在基因组中的LD衰减速度较快,表明其基因间的关联较弱,有利于新抗病基因位点的鉴定(图1,图2)。相比之下,现代精英品种因长期人工选择而表现出更高的LD和较低的遗传多样性。这一发现表明,基因库中保存的古老种质仍然是挖掘新型抗病基因的宝贵资源。
图1:1110 个大麦基因型的地理分布
图2:大麦基因库资源的遗传多样性分析
2.多环境下性状表现与抗病性评估
为了深入了解基因库资源的抗病潜力,研究团队在多个环境条件下对这些基因型进行了抗病性测试。通过最佳线性无偏估计(BLUE)分析,发现尽管多数基因型对病害表现出不同程度的易感性,但部分基因型在多种环境下展现了稳定的抗病性(图3)。进一步的相关性分析(图4)揭示了不同群体间的性状关联性。在春大麦群体中,PUC与BLU表现出正相关,而RAM则与两者呈现负相关关系,这暗示了这些性状可能经过了独立的进化过程。相比之下,冬大麦群体中,PUC与RHY正相关,但与BLU的关联性较弱,提示在不同病害抗性水平中可能存在共同的遗传因素。这些结果为抗病基因的功能研究和定位提供了方向。
图3:春大麦和冬大麦优良品种及植物遗传资源的表现
图4:大麦抗病性与农艺性状的相关性分析
3.抗病性QTLs的GWAS分析定位
通过GWAS分析,研究团队在大麦基因组上定位了49个与抗病性相关的数量性状位点(QTLs)。这些QTLs中既包括已知抗病基因的位置,也包含新的候选位点,揭示了基因库资源在挖掘抗病基因方面的潜力。新位点的发现为进一步的基因功能验证和育种应用提供了可能性,特别是面对快速变化的病原体环境时具有重要意义。
4.稀有等位基因对抗病性的显著贡献
深入分析表明,基因库中频率较低的稀有等位基因在抗病性上表现出显著优势(图5)。这些等位基因在叶锈病和白粉病等主要病害中表现出更强的抗性。研究结果提示,现代育种过程中可能忽略了一些具有潜力的稀有等位基因。通过重新引入这些基因,有望显著提升大麦品种的抗病能力。
图5:稀有和新型抗病等位基因频率(RAF)
5.基因库资源与现代品种的抗病性对比分析
研究团队进一步对基因库资源和现代精英品种进行了抗病性对比分析。累积更多新型和稀有抗病等位基因(NRAs和RRAs)的基因型在抗白粉病和叶锈病方面具有显著优势(图6A、6B、6C)。例如,HOR-22190、HOR-18711(德国春大麦)和HOR-10199(法国冬大麦)表现出更高的抗病性。这些基因库资源展示了其在未来大麦抗病育种中的巨大潜力和应用价值。
图6:含有新型抗病等位基因(NRA)和稀有抗病等位基因(RRA)的基因型的表型分布
总结
