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Aegilops speltoides（斯卑尔脱山羊草）是小麦抗锈病基因的重要来源。然而，Ae. speltoides基因转移到小麦基因组时，往往会与一些不良基因（如生殖细胞毒性基因）发生共转移，导致育性问题。2024年8月，印度新德里印度农业研究所遗传学部的 R. Ragini 教授团队与 ICAR-印度农业研究所环境科学部、ICAR-印度农业统计研究所农业生物信息学部等单位合作，在《Molecular Breeding》在线发表了题为“Breaking the association between gametocidal gene(s) and leaf
rust resistance gene (LrS2427) in Triticum aestivum-Aegilops
speltoides derivative by gamma irradiation”的研究论文。该研究通过对 F1（Agra Local × Sel. 2427）代种子进行伽马射线辐射处理，成功打破了 LrS2427 与生殖细胞毒性基因的负面关联，开发出既能抗叶锈又不具生殖细胞毒性活性的稳定突变体，推动了抗病小麦的育种进程。其主要研究内容和结果如下：1 缺乏杀配子活性的抗叶锈病突变体的选育
通过γ射线诱变F1代（Agra Local × Sel.
2427）种子，而非直接使用Sel.2427，成功获得了抗叶锈突变体。在实验中，F1代种子分别用250 Gy和300 Gy的γ射线处理，目的是打破杀配子活性基因的负面影响。种植后的 M0F1 植株根据育性参数（如每穗种子数和空小穗百分比）筛选出最具优良育性的植株，并继续培育同源叶锈抗性突变体。在后续的M3F4和M4F5代中，开发了161个同源抗叶锈突变体，并通过田间重复试验研究其育性参数。与对照品种（如 Sel.2427、ET和不同的易感品种）进行比较后，筛选出了最佳突变体。为了进一步确认突变体不再具备生殖细胞毒性活性，这些突变体通过与易感品种HD2932的交配，分析其F1代的育性特征。![]()
图1 通过伽马射线诱变消除Sel. 2427 中杀配子基因的示意图
2 γ射线诱变对F1代 (Agra Local x
Sel. 2427)植株的影响
在处理的100粒M0F1种子中，250 Gy（T250）γ射线组有63株植物在穗期后存活，而300 Gy（T300）组则有64株。为比较繁殖性状，设置了27株未处理的对照F1植物。对照组ASS（每穗种子数）为1.75至10，平均值为5.84；T250组ASS为0至24，T300组ASS为0至30.6。对照组PES（空穗比例）为80.56%至95.98%，平均为89.49%；T250组PES为38.46%至100%，T300组PES为39.28%至100%。根据较高的ASS和较低的PES，选择了多个F1突变体（如T250-20、T300-67等）进入下一代。对照F1种子的表型包括饱满、部分皱缩和完全皱缩种子（图2e）。与对照F2种子相比，T250-20和T300-67突变体的种子没有皱缩，而其他突变体皱缩种子的数量也比对照组少（图2f、2g）。M1F2代植物经叶锈病抗性筛选，选出高抗性个体进行移植（图2h）。弱小活力较弱且繁殖力差的M1F2植物被淘汰，确保M2F3代强壮。通过筛选得到的纯合抗性M2F3家系进入下一代，并优先选择繁殖力强的植株。最终，161个优选M3F4品系在田间实验中进行了繁殖性状分析。![]()
图2γ射线诱变对F1（Agra
Local ×Sel. 2427）植物的影响
3 无杀配子活性的抗叶锈病突变体的选育
在2020~21年，161个M3F4代γ射线突变体与39个对照基因型一起种植。突变体生长均匀，株高较好，而对照组（ALS2427和ALET）发芽率差，均匀性差。每个品系收获5穗并记录了种子数、穗花数，测定ASS（每穗种子数）和PES（空穗比例）。2020~21年和2021~22年，突变体的ASS范围分别为22.33~59.33和21.07~56.97，对照组为20.27~46.93和10.47~52.93。突变体PES分别为4.73%~55.24%和0.12%~54.20%，而对照组为17.31%~65.22%和3.53%~73.81%。T300-67–6-4的ASS最高（59.33），而T300-67–116-6的PES最低（0.12%）。部分突变体与对照基因型作为花粉亲本与HD2932杂交，确认杀配子活性是否丧失。F1代的ASS和PES与突变体亲本比较，结果显示突变体的ASS在F1代与亲本相似，而对照组的ASS显著下降。突变体的PES从4.62%到40.14%，F1代为0%到44.73%，明显提高。对照基因型F1代种子出现皱缩（图4a），但突变体无皱缩现象（图4b），证实这些突变体缺乏杀配子染色体基因。![]()
图3 突变体及其F1 代的育性参数比较
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图4 突变体与对照植株种子特性的对比
4 突变体的抗叶锈病表现
选定的21个γ射线突变体对8种不同的叶锈病菌株表现出显著的幼苗期抗性，甚至对高度致病和流行的77–5菌株也具有抗性。突变体在不同叶锈病菌株下表现出抗性反应，感染类型（ITs）从IT '0'到IT '1+'不等（图4）。相比之下，HD2932和Agra Local表现为敏感（ITs '3'到'3+'），而Sel. 2427和ET对所有菌株均表现出抗性（ITs '1'到'1+'）。表1 抗叶锈γ突变体在幼苗阶段的多菌株抗性测试结果
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5 Sel. 2427、ET及γ突变体分子表征与染色体组学分析
在T. aestivum cv Sonalika和Ae. speltoides EC331772之间的4000个SNP标记中，1289个标记（32.2%）定位于A基因组，1568个（39.2%）在B基因组，1143个（28.5%）在D基因组。在这些标记中，Sel. 2427和ET分别有252和378个与Ae. speltoides共享的等位基因。Sel. 2427的基因组中约6.28%来自Ae. speltoides，其中A、B和D基因组分别占2.6%、2%和1.7%。ET的基因组中，约9.45%来自Ae. speltoides，A、B和D基因组的贡献分别为3.1%、3.4%和3%。在Sel. 2427中，最大内源转移发生在同源基因组2（1.78%），ET则在同源基因组2（2.55%）转移最大（图5a）。在35,143个SNP标记中，2328个在Ae. speltoides中显示为缺失等位基因，Sel. 2427和ET分别有74和95个缺失等位基因。Sel. 2427的缺失等位基因集中在2D、7A和1B染色体，而ET则集中在2D、2B和6B染色体。
在突变体的分子特征分析中，使用710个SNP标记。T250-20–20-16的Ae. speltoides基因组贡献最高（8.87%），其次为T250-20–20-6（7.0%）。T250-20–12-4的Ae. speltoides基因组内源转移最多发生在同源基因组4。与Sel. 2427相比，突变体在2B和2D染色体上的Ae. speltoides基因组内源转移比例显著减少（图5a）
表2 Sel.
2427、Easy
Thresh 和γ射线突变体的分子表征结果
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图5 通过35K 小麦 SNP分子标记分析和原位杂交技术对Sel. 2427、突变体及对照的分子表征
6 分子细胞遗传学特征
在Sel. 2427的基因组原位杂交实验中，使用了根尖的分生组织，并在158个细胞中观察到阳性荧光信号。大多数细胞表现出6个荧光信号，提示Ae. speltoides基因组与小麦基因组之间可能发生了三次内源转移（图5b、c）。这些内源转移涉及两对染色体，并在两端和端粒区显示了不同的信号模式（图5e、f）。通过对比Sel. 2427和Ae. speltoides的基因组特征，推测这三次内源转移分别发生在2B和2D染色体（图5e、f）。
为了验证这一发现，对F1代（Agra Local × Sel.
2427）植株的花药组织进行了额外的基因组原位杂交，结果显示大多数细胞也表现出三种荧光信号（图5d）。部分PMCs中的信号靠近，表明Ae. speltoides的端粒区域可能与染色体结合。在突变体T250-20–20-6的根尖细胞中，观察到大多数细胞表现为两种信号，表明与杀配子染色体活性相关的Ae. speltoides基因组片段已被去除，且只剩下LrS2427基因组（补充图5c）。表3 GISH信号数量在不同细胞类型和样品中的分布统计
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7 杀配子活性成分性状QTL定位及候选基因鉴定
表4总结了与杀配子染色体活性相关的四个组分性状（ASS、PES、APF和SSI）的QTL。对于ASS，检测到位于2A、3A、3D和4A染色体的四个显著QTL，PVE（表型变异解释率）为5.99%~15.10%。对于APF（花粉育性），尽管检测到13个QTL，但PVE较低（2.12%~6.26%）。SSI性状（种子皱缩指数）的QTL表现出最高的PVE，其中2A和2D染色体上的QTL解释了15.03%和21.70%的表型变异。PES（空小穗百分比）的QTL也有所发现，PVE范围为6.02%~14.78%。
分析显示，Ae. speltoides基因组的内源转移主要发生在2B和2D染色体，特别是SSI性状的QTL定位在这两个染色体上。2D染色体上有一个主要QTL（PVE=21.70%），而2B染色体上有两个与SSI相关的QTL（PVE分别为5.00%和8.16%）。这些结果表明，SSI是解析杀配子活性最关键的性状。此外，2D染色体上的候选基因包括钼酸盐转运蛋白2
(MOT2)和谷氨酰胺合成酶，这些基因与繁殖性状密切相关。
表4 针对性状ASS、APF、SSI 和PES 鉴定的 QTL结果
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8 抗叶锈且具育性的γ突变体及其F1代的细胞学分析
细胞学分析显示，Sel. 2427大多数PMCs为正常的21II配置，少数出现异常。在F1（Sel. 2427 × Agra Local）中，减数分裂不稳定性明显，导致21II配置的PMCs频率下降。γ射线突变体如T300-67–12-1、T300-67–113-17和T300-67–6-4等，几乎所有PMCs都表现出正常的21II配置，只有极少数偏离（如T300-67–113-17中1个PMCs为20II+2I配置）。F1代（HD2932 ×突变体）也显示出类似结果，绝大多数PMCs均为正常配置。突变体的正常21II配置表明它们不含有杀配子基因。9 γ突变体的产量及形状表现
在田间条件下，γ射线突变体表现出优于原始品种Sel.
2427和ET的农艺性状，且与常见品种相当。例如，T300-64–51-28的株高最高（128.40 cm），T250-20–20-6的每穗种子数（50.36）和每穗花芽数（19.72）均高于大部分对照品种。而T250-20–20-16和T300-67–113-5在分蘖数和花芽数上表现较低。尽管突变体在农艺性状上表现优异，但所有突变体及Sel. 2427、ET和重组自交系（RILs）在田间均表现出中度至高度的叶锈病敏感性。综上所述，利用小麦的野生亲缘种可以有效应对病原体菌株的变化，从而增强遗传多样性。Aegilops speltoides是丰富的抗锈病基因来源，但将其引入小麦基因组面临不良基因共转移和优先传递的问题。这种不良关联在具有广谱抗叶锈幼苗子抗性基因（LrS2427）的 Sel. 2427 衍生系中得以体现。通过γ射线辐射处理（Agra Local × Sel. 2427）F1代种子，开发了抗叶锈且无配子杀伤活性的稳定突变体。突变体对多种叶锈菌株表现出抗性，同时具有优良的农艺性状，为改良小麦抗病性提供了重要资源。
