研究背景
小麦条锈病是由条锈病菌(Puccinia striiformis f. sp. tritici,简称Pst)引起的一种全球广泛发生的真菌病害。该病菌在大多数小麦种植区都有分布,尤其在气候凉爽潮湿的地区发病严重。十倍体长穗偃麦草是小麦的远缘野生亲缘种(Thinopyrum ponticum,2n=10x=70),其染色体组构成极为复杂,包含了丰富的抗逆基因。这些基因赋予了长穗偃麦草抗多种病害的能力,包括抗条锈病、茎锈病和白粉病等。作为小麦条锈病抗性的重要基因来源,在小麦育种中具有巨大的潜力。
2024年10月18日,电子科技大学植物分子细胞生物学团队联合澳大利亚阿德莱德大学在The Crop Journal在线发表了题为“Characterization of novel wheat–Thinopyrum ponticum introgression lines derived from the partial amphiploid AUS6770 carrying resistance to stripe rust”的研究论文。这项研究中,研究人员通过染色体涂染(Oligo-FISH painting)和非变性荧光原位杂交(ND-FISH)技术对小麦-长穗偃麦草部分双二倍体AUS6770及其后代渐渗系A155进行了鉴定,在长穗偃麦草2Ae染色体鉴定到一个新型抗条锈病基因。研究表明AUS6770和其衍生的A155不仅具有显著的抗条锈病能力,还在株高和穗长等方面表现出优异的农艺性状,显示出其在小麦抗病育种中的巨大潜力。
研究结果
1.AUS6670、A155核型分析
研究人员首先通过ND-FISH技术和Oligo-FISH技术使用OLigo-B11、Oligo-K288、 Oligo-pTa535和Oligo-pSc119.2探针对AUS6770根尖中期染色体进行杂交。对结果表明AUS6770携带 28 条A和B基因组染色体以及14条Ae 基因组染色体,而其余14条染色体属于D基因组。并通过连续FISH使用小麦-大麦的共线性区段的寡核苷酸探针Synt1至Synt7对7对Ae染色体进行鉴定。建立了小麦-长穗偃麦草部分双二倍体AUS6770的标准核型(AABBDDAeAe,2n=56),并发现AUS6770的偃麦草染色体存在6AeS.5AeL与5AeS.6AeL相互易位。
在条锈病抗性鉴定中,A155表现出良好的抗性。为了定位A155中的抗条锈病基因,研究人员对A155的染色体组成进行分析,表明A155(2n=44) 是小麦-长穗偃麦草 2Ae附加系,同时携带一对易位染色体,其中6Ae的一部分取代了6BL的端粒区域，为后续抗条锈病基因的定位提供了研究基础。
图1.使用多探针和oligo-painting对AUS6770进行顺序FISH杂交
图2.通过连续的ND-FISH和Oligo-FISH染色对小麦-Th.ponticum A155 的有丝分裂分裂期进行核型分析
2.A155和MY11之间后代的染色体传递及2Ae变异类型鉴定
为了将A155的潜在价值转移到小麦以及对抗病基因的定位,研究人员将将 A155 与小麦品种绵阳11(MY11) 杂交,对F2-F4代共1590株后代进行了鉴定,发现2Ae染色体在后代中的传递频率非常高,有效地传递给了F2至F4代后代。而6Ae易位片段的传递频率较低,这表明2Ae染色体在A155中的传递稳定性远高于其他外源染色体。
在这些后代中,还发现了31种2Ae染色体的结构畸变,包括2Ae的易位、缺失和其他变异类型。通过ND-FISH探针分析,研究者确定了这些结构畸变的类型并使用基因组PCR标记对其进行了详细的染色体定位。为了创制小麦-偃麦草2Ae的补偿性易位系,方便育种利用,作者又对982个2Ae单体附加系辐射后代进行原位杂交鉴定,成功筛选到了6个小麦第2同源群染色体与2Ae的互补易位。
图3.wheat-Th.ponticum 2Ae异位系F4代FISH图
3.2Ae染色体的物理图谱的构建
研究人员使用了包括175个IT引物、30个PLUG引物和51个新开发的引物在内的引物对以分析2Ae特异性PCR标记。其中有105对引物仅在小麦-长穗偃麦草渐渗系和2Ae附加系中扩增出相同的条带。进一步的66对引物在小麦-长穗偃麦草渐渗系(AABBEE)的2E和M11系的2Ae呈现出多态性扩增,表明了在多倍体化过程中,Thinopyrum 物种之间可能积累了广泛的序列分歧。进一步利用Th.longatum染色体2E基因组组装作为参考并通过对2AeS和2AeL的单体附加系进行PCR扩增,研究者将105对特异性标记分布到了2Ae染色体的各个位置。其中,39对标记位于2Ae短臂,66对位于2Ae长臂。这些标记用于进一步确定上述易位和缺失线中的断裂点位置。例如,代表性标记YL-28和YL-20用于不同类型的断裂点之间的精细定位。对于两个不同类型的断裂点,标记YL-28未在m161和m103中扩增出条带,而标记YL-20则能够扩增出条带,表明这两个断裂点位于相同的位置。研究者最终将2Ae染色体分为十个细胞学区间(chromosomal bins),其中短臂(2AeS)包含四个区间(2AeS-1至2AeS-4),长臂(2AeL)包含六个区间(2AeL-1至2AeL-6)。通过这些标记的分布,能够精确地定位2Ae染色体上的断裂点和转移点,并通过这些标记,构建了2Ae染色体的物理图谱。
图4.通过特定标记对Th.ponticum 2Ae变异进行PCR扩增和物理定位
4.A155及衍生系对条锈病的抗性分析
对小麦品种A155和MY11及其相关品系在接种条锈病菌后的抗性表现进行分析,结果显示,A155表现出高度抗性,而MY11则极易感病。携带2Ae和6BS.6BL-6Ae的品系具有强抗性,且2AeS端粒载体的抗性明显优于2AeL端粒载体。此外,分析还确认了与条锈病抗性相关的新基因位点,提供了位于2AeS-4中的分子标志物,进一步为小麦抗病育种奠定了基础。A155及其衍生品系对农艺性状没有显示出负面影响,使其成为小麦抗性育种的潜在有用资源。
图5.条锈病抗性基因在2Ae染色体上的染色体定位
总结与讨论
本研究启示小麦抗病育种不仅依赖抗性基因的筛选,更需结合先进的染色体标记和定位技术,从野生近缘种中挖掘和精准导入抗病基因,确保抗性遗传的稳定性。这种系统化和精细化的策略将加速抗病小麦品种的研发进程,助力粮食安全。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cj.2024.09.009
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