野生二粒小麦抗白粉病新基因PmCWI45575的鉴定与功能解析为小麦抗病育种提供新资源

本研究针对小麦白粉病抗性资源日益枯竭、病原菌毒性变异频繁的产业难题，从野生二粒小麦CWI45575中鉴定出一个新型抗白粉病主效基因PmCWI45575。通过BSR-Seq技术将基因定位到4AL染色体臂5.3 Mb区间，转录组分析揭示MAPK信号传导、激素响应和苯丙烷生物合成等多层次防御机制，开发的共显性标记HebustP15为抗病育种提供了实用工具。

　　

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，养活了世界上大量的人口，但其生产却面临着日益严峻的生物胁迫挑战。其中，由禾谷布氏白粉菌（Blumeria graminis f. sp. tritici, Bgt）引起的小麦白粉病尤为突出，在适宜条件下可导致减产10%-15%，严重时甚至高达50%-60%。在中国，该病害年发生面积超过600万公顷，对粮食安全和稳产构成持续威胁。更棘手的是，病原菌毒性变异频繁，使得许多曾经广泛应用的抗病基因（如Pm1、Pm2、Pm3、Pm8等）相继“失效”，暴露出单一基因抗性的脆弱性。与此同时，现代小麦品种在长期驯化和育种过程中，遗传基础变得相对狭窄，其抗病基因库亟待扩充。

面对这一挑战，科学家们将目光投向了栽培小麦的野生祖先。野生二粒小麦（Triticum turgidum var. dicoccoides）作为四倍体小麦的直接祖先，在长期的进化过程中积累了丰富的遗传变异，蕴藏着大量未被开发利用的抗病、抗逆基因资源。其与普通小麦杂交相对容易，为将优异基因导入现代品种提供了便利。因此，从野生二粒小麦中挖掘新的抗白粉病基因，并将其应用于育种，成为实现小麦病害可持续绿色防控的重要策略。

在此背景下，Gao等人在《BMC Plant Biology》上发表的研究，报道了从一个名为CWI45575的野生二粒小麦材料中，成功鉴定并精细定位了一个新的抗白粉病主效基因PmCWI45575。为了揭示其抗性遗传基础，研究人员首先对CWI45575进行了全面的抗病性评价。在苗期，该材料对16个Bgt菌株中的14个表现出高抗或免疫（IT 0-2），抗谱高达87.5%。在成株期，无论是接种混合菌株（A3, A10, E09, E18）还是依靠田间自然病菌，它都表现出完全的抗性。遗传分析发现，其对流行菌株E09的抗性由一个显性单基因控制，该基因被暂时命名为PmCWI45575。

研究的核心技术方法包括：利用抗、感混池（BSR-Seq）进行转录组测序和SNP挖掘以初定位基因；基于参考基因组设计分子标记（InDel和KASP）；构建遗传群体进行连锁分析以精细定位；通过GO和KEGG富集分析差异表达基因以解析抗病机制；并开发与验证可用于分子标记辅助选择（MAS）的紧密连锁标记。所有实验均以感病对照品种铭贤169和Langdon（LDN）为参照，F_2:3群体由CWI45575与LDN杂交构建。

Identification and characterization of a novel powdery mildew resistance gene PmCWI45575 in wild emmer wheat

研究人员通过抗、感混池转录组测序（BSR-Seq）技术，成功将PmCWI45575定位在野生二粒小麦参考基因组Zavitan（WEW_v2.0）4AL染色体臂上一个5.3 Mb的区间（716.6-721.9 Mb）。该区间对应于中国春参考基因组（RefSeq v2.1）的718.5-724.4 Mb区域。通过比对发现，该区间与除QPm.tut-4A（源自7G染色体外源片段插入）之外所有已报道的4AL抗白粉病基因位点均无重叠，表明PmCWI45575很可能是一个全新的抗病基因。

Phenotypic assessment and inheritance of powdery mildew resistance in CWI45575

通过接种16个Bgt菌株，证实CWI45575具有广泛的抗病性。遗传分析表明，其抗性由单显性基因控制。F₂代分离比符合3:1（抗:感），F_2:3家系分离比符合1:2:1（纯合抗:杂合:纯合感），验证了单基因显性遗传模式。

SNP calling and screening of the candidate intervals

BSR-Seq产生了高质量的测序数据，在两个混池间共鉴定出1637个多态性SNP，其中664个位于4A染色体上，280个密集分布在704.5-743.5 Mb的区间内，为后续定位奠定了基础。

Mapping of PmCWI45575

研究人员开发了25个凝胶标记和5个KASP标记，并结合3个已报道的多态性标记，成功将PmCWI45575定位于标记HebustP2和HebustK721之间，其中HebustP6与抗病基因共分离。最终将其限定在4AL上5.3 Mb的物理区间内。

Comparison of PmCWI45575 with the known Pm genes on 4AL

通过物理位置比对，发现PmCWI45575的定位区间与除QPm.tut-4A外的其他已知4AL抗病基因（如Pm61、MlIW30、MlNSF10等）均不重叠，从基因组位置层面强有力地支持了其是一个新基因的结论。

Discovery and analysis of DEGs

转录组分析共鉴定出2932个差异表达基因（DEGs），其中候选区间内存在96个DEGs。GO和KEGG富集分析表明，这些基因显著富集于MAPK信号通路、植物激素信号转导、苯丙烷生物合成、谷胱甘肽代谢等与植物防御反应密切相关的通路，揭示了其抗病性可能涉及多层次、复杂的防御网络激活。

Evaluation of the markers available for MAS

为促进育种应用，研究人员评估了紧密连锁标记的应用潜力。其中，共显性标记HebustP15在CWI45575与四个感病栽培品种（石4185、科农199、石新828、石新5071）间表现出多态性，证明其可用于分子标记辅助选择，将该基因快速导入优良小麦背景。

本研究成功地从野生二粒小麦中挖掘并精细定位了一个全新的抗白粉病主效基因PmCWI45575。该基因不仅抗谱广、抗性强，其所在的基因组位置也不同于大多数已报道的抗病基因，为小麦抗病基因库增添了宝贵的新成员。其抗病机制可能涉及复杂的信号网络和代谢重编程，不同于传统的NLR（Nucleotide-binding leucine-rich repeat）基因介导的抗性，为理解小麦与白粉菌互作提供了新的视角。更重要的是，研究所开发的紧密连锁KASP标记为通过分子标记辅助选择将PmCWI45575快速导入高产感病品种提供了高效、精准的技术工具。将此类源自野生种质的新抗病基因与现有主栽品种中的其他抗病基因进行聚合，是培育具有广谱、持久抗性小麦新品种，实现小麦生产绿色、可持续发展的有效策略。这项工作充分展示了野生近缘种质在作物遗传改良中的巨大价值和潜力。