基于标记的谱型分析及面包小麦（Triticum aestivum L.）抗条锈病性的表型验证

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Marker-Based Profiling and Phenotypic Validation of Stripe Rust Resistance in Bread Wheat (Triticum aestivum L.)

本研究通过分子标记定位分析了48份地理多样化的小麦种质资源对条锈病的抗性基因，发现8个全生育期抗性（ASR）基因和4个成株抗性（APR）基因，其中Yr26、Yr9、Yr7和Yr2的高频分布（>50%）为选育抗病品种提供了关键基因资源，结合田间表型鉴定和基因聚合策略可有效应对新小种挑战。

　　

K. Shruthi|Tuhina Dey|Ravinder Singh|M.K. Pandey|Bupesh Kumar|K. Priyatham|Shridhar Ragi|Kriti Singh|Heena Sharma

印度查谟和克什米尔地区贾穆姆市查谟-克什米尔农业科学与技术大学植物育种与遗传学系

摘要：

全球小麦生产受到生物胁迫的威胁，其中包括条锈病，因此需要鉴定和表征抗锈病遗传资源。本研究通过多参数筛选方法，基于不同遗传资源的抗性基因来表征小麦品系，以有效管理这种疾病。利用基因标记物绘制了48个地理上多样化的小麦基因型中关键Yr基因的分布图。在研究的12个基因中，有8个（Yr2、Yr5、Yr7、Yr9、Yr10、Yr15、Yr24和Yr26）具有全生育期抗性（ASR），而4个（Yr16、Yr18、Yr29和Yr30）具有成株抗性（APR）。在条锈病流行条件下进行的表型分析鉴定出7个抗性基因型。HAR-627中鉴定出7个ASR基因，而Tusie、Kenya Kudu、FH11-6-24、Monad和IC542117中分别鉴定出6个ASR基因。IC530119中鉴定出3个APR基因，另有8个基因型中鉴定出2个APR基因。Yr26、Yr9、Yr7和Yr24的频率较高（超过50%），而Yr5、Yr29和Yr18的频率相对较低。探索和表征遗传多样性有助于育种者识别关键等位基因和与性状相关的标记物，以便将其导入新品种中。基于标记物的全生育期抗性和成株抗性基因整合，结合田间表型分析，是开发具有有效Yr基因表达的优质小麦品种的战略方法。

引言

农业对人类生存至关重要已有数千年之久，随着食物需求的增加和气候挑战（如害虫、疾病和作物歉收）的出现，其重要性持续增长[1]。预计到2050年世界人口将达到100亿，主粮作物产量必须增加70-110%才能满足食物需求[2]。气候变化不仅降低作物产量，还威胁物种生存并加速生态系统退化，加剧生物多样性的丧失和粮食安全问题[3]。一个特别令人担忧的后果是作物多样性的下降，因为栽培植物及其野生近缘种的遗传变异对于培育抗逆作物至关重要。虽然工业革命和绿色革命提高了农业效率并促进了商业化，但下一场革命必须优先考虑可持续的作物改良，以应对饥饿和气候相关挑战。

条锈病，也称为黄锈病，由真菌Puccinia striiformis f. sp. tritici引起，是一种严重的叶部病害，在全球几乎所有种植小麦的地区都有分布[4]。据估计，该病害导致田间产量损失10-70%，在极端情况下谷物损失可能高达100%[5]。条锈病的严重程度受天气条件影响显著，其理想感染温度范围为12-15°C，且在10-15°C下需要持续4-6小时的湿润环境，这使得印度西北平原区和北部山区成为理想的高发区[6]。近年来，由于高度毒力和快速进化的病原体株型的出现，条锈病在印度成为主要威胁，导致近1000万公顷的小麦种植面积受到影响[7, 8]。这主要是由于病原体能够长距离传播、具有重组能力、通过突变快速进化出新毒力、适应多种气候条件，以及通过有性周期和体细胞重组产生新变体[9, 10]。

1971年首次在小麦品种Kalyan Sona上发现条锈病，随后在1984至1990年间Sonalika品种中也出现了对该病害的敏感性。1996年检测到对Yr9的抗性，2001年出现了一种同时对Yr9和Yr27具有抗性的株型。2013-2014年间，又鉴定出三种新的对Yr9具有抗性的株型（110S119、238S119和110S84），这些株型还对Yr2、Yr3a、Yr4a和YrSU具有抗性[9]。110S84和110S119株型是独立进化的，而238S119被认为是从46S119通过获得对Strubes Dickkopf和Riebesel 47/51品种的抗性而进化而来的[8]。在西北平原区大规模种植PBW 343后，出现了Pst race 78S84，这种株型克服了Yr27的抗性[11]。2008年和2010年用抗性品种替代后，78S84的流行率降至约5%，使得46S119重新流行。最近，在旁遮普邦出现了新的株型，如238S119、110S119和46S117，其频率稳步上升[8]。在印度，Yr5、Yr10、Yr15、Yr24、Yr26、Yr27和YrSp等抗性基因对所有流行的Puccinia striiformis f. sp. tritici株型仍然有效，而Yr2、Yr3、Yr4、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、Yr17、Yr18、Yr19、Yr21、Yr22、Yr23、Yr25和YrA对最近出现的株型则不再有效[12]。2022-2023年在旁遮普邦、哈里亚纳邦、北阿坎德邦、喜马偕尔邦和尼泊尔进行的调查显示，存在8种条锈病株型：238S119、110S119、46S119、T (47S103)、P (46S103)、79S68、6S0和7S0。其中，238S119的流行率最高（54.78%），其次是110S119（27.39%），46S119占12.17%。79S68和46S103在样本中的检出率低于1%[13]。

条锈病的抗性大致分为全生育期抗性（ASR）和成株抗性（APR）[14]。ASR在整个生长阶段都有效，但具有株型特异性且容易产生抗性失效，而APR则在更广泛的株型范围内提供部分但更持久的抗性。如Yr18、Yr29、Yr36和Yr46等APR基因在长期内保持有效，且没有对病原体种群产生强烈的选择压力[15]。尽管单个APR基因只能提供部分抗性，但叠加四个到五个这样的基因可以实现近乎免疫。然而，结合多个ASR和APR基因可能会增加高毒力株型进化的选择压力[16]。一个著名的抗性基因导入例子是PBW 343，它后来对Yr27产生了敏感性。通过标记辅助回交，从Aegilops ventricosa（Lr37/Yr17/Sr38）和Aegilops umbellulata（Lr76/Yr70）引入抗性基因，开发出了PBW 723（Unnat PBW 343）[17]。因此，标记辅助选择（MAS）在促进小麦和其他作物中抗性基因的导入和叠加方面被证明是有效的[18, 19]。

遗传变异在作物适应环境变化和抗病性方面起着关键作用。与使用杀菌剂相比，宿主抗性是管理条锈病最经济且环境可持续的策略，因为杀菌剂会增加生产成本并对环境产生不利影响[20]。因此，通过表型评估和分子标记分析了解小麦基因型中的Yr基因分布至关重要。尽管已报道了200多个Yr基因或数量性状位点（QTL），包括87个永久命名的基因[21]，其中超过70%提供全生育期抗性（ASR），其余提供成株抗性[22]。因此，准确解析抗性基因对于有效叠加基因和开发具有持久水平抗性的品种至关重要[23]。

鉴于遗传变异的重要性，本研究包括了来自国家遗传资源库的各种基因型，以及来自澳大利亚、非洲和巴基斯坦的选育材料。本研究旨在利用与Yr抗性基因相关的分子标记，评估先进小麦基因型和品种的抗锈病能力，并确定这些材料中是否存在条锈病抗性基因。识别基因来源并利用特定基因的抗性对于培育高产抗锈病品种至关重要，这有可能降低杀菌剂成本并减少小麦种植带来的环境污染。

植物材料

本研究使用了48份小麦材料，包括25份来自不同地区（北阿坎德邦、喜马偕尔邦和哈里亚纳邦）的抗条锈病遗传资源，这些材料来自印度新德里的ICAR-国家植物遗传资源局（NBPGR）国家基因库的收藏；另外还从澳大利亚、非洲和巴基斯坦获得了20份外来品系（补充文件1）。研究还包括了三种广泛种植的小麦品种RSP 561、JAUW 584和PBW 175，以及另外两个品种

基于田间的病害筛选

由于纬度和气候的差异，两种测试环境中的条锈病表现明显不同。贾穆姆（32.73°N, 74.87°E）由于温度较低、叶片湿润时间较长和晨露期较长，为Puccinia striiformis f. sp. tritici提供了非常适宜的生长条件，因此病害发生率和症状出现时间都较高。相比之下，卡纳尔（29.69°N, 76.99°E）位于更南边，温度相对较高，因此病害发生率和症状出现时间较低

讨论

由Puccinia striiformis f. sp. tritici引起的条锈病对印度西北部的小麦生产构成了严重威胁，影响了超过1000万公顷的种植面积[7]。印度西北部包括旁遮普邦、查谟和克什米尔邦以及哈里亚纳邦，这些地区是国家的主要粮食产区，正日益受到锈病（尤其是条锈病和叶锈病）的威胁[30]。通过对小麦遗传资源的广泛筛选，包括本地和外来遗传资源

结论

在印度西北部的小麦遗传资源中，本研究鉴定出多种条锈病抗性基因（Yr2、Yr5、Yr7、Yr9、Yr10、Yr15、Yr18、Yr24、Yr26、Yr29和Yr30），其中Yr26（83%）、Yr9（81%）和Yr7（66%）最为普遍。分子分析显示了多样的等位基因扩增模式，单个基因型中存在多个抗性基因表明抗性的持久性具有潜力。本研究强调了

CRediT作者贡献声明

Kriti Singh：资源提供、调查。 Heena Sharma：写作——审稿与编辑。 Priyatham K：可视化、监督、数据管理。 Shridhar Ragi：写作——审稿与编辑、验证。 Bupesh Kumar：验证、调查。 Mukesh Pandey：可视化、监督、概念化。 Ravinder Singh：验证、监督、概念化。 K SHRUTHI：写作——初稿撰写、监督、方法论、数据管理、概念化。 Tuhina Dey：写作——审稿与编辑

未引用的参考文献

56.; 57.; 58.; 59.; 60.; 61.; 62.; 63.; 64.

出版同意

不适用。

伦理批准和参与同意

不适用。

数据和材料的可用性

所有数据均包含在手稿中

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

资助

本研究未接受外部资助。

致谢

作者感谢查谟-克什米尔农业科学与技术大学植物育种与遗传学系对田间实验和分子实验室工作的支持。作者还要衷心感谢新德里的国家植物遗传资源局（NBPGR）为这项研究提供的宝贵帮助。