利用显微技术、KASP标记和PR蛋白基因表达动态解析富铁锌春小麦突变体对叶锈和条锈病的成株与苗期抗性

本研究针对小麦叶锈病(LR)和条锈病(YR)导致的全球性减产问题，通过伽马辐照诱变技术创制了富含Fe/Zn的春小麦突变体。研究人员综合运用显微观察、KASP基因分型和PR基因表达分析等技术，系统鉴定了13个M7代突变体对两种锈病的抗性表现。研究发现69.2%突变体同时具备成株期(APR)和苗期(SR)抗性，92.3%突变体携带Lr2a/Lr14抗性等位基因，并首次揭示PR2(β-1,3-内切葡聚糖酶)和PR4(几丁质酶)的时序性表达模式与籽粒铁含量正相关。该研究为培育兼具营养强化和持久抗病性的小麦新品种提供了重要种质资源和理论依据。

　　

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其安全生产始终面临着真菌病害的严重威胁。其中由Puccinia triticina引起的叶锈病(leaf rust, LR)和Puccinia striiformis引起的条锈病(yellow rust, YR)尤为猖獗，每年造成巨大的产量损失和品质下降。随着气候变化和病原菌新小种的不断出现，传统抗病品种的抗性逐渐被突破，这使得培育具有持久抗病性的小麦品种成为当务之急。与此同时，隐性饥饿问题——即微量元素缺乏引起的健康问题——也日益受到关注，特别是铁(Fe)和锌(Zn)的缺乏影响着全球数十亿人口的健康状况。

在此背景下，哈萨克斯坦国立大学的科研团队开展了一项创新性研究，他们通过伽马射线辐照诱变技术，成功创制了富含铁锌元素的春小麦突变体群体，并系统评估了这些突变体对叶锈病和条锈病的抗性表现。该研究近期发表在专业期刊上，为同时解决小麦病害防控和营养强化两大难题提供了新的思路和资源。

研究人员采用多学科交叉的研究方法，主要包括：1）使用⁶⁰Co γ射线（100和200 Gy剂量）处理春小麦品种Erythrospermum-35，经多代选育获得M₇代突变体群体；2）通过田间接种鉴定成株抗性(adult plant resistance, APR)，利用温室接种评估苗期抗性(seedling resistance, SR)；3）采用Calcofluor White染色和显微成像技术定量分析真菌吸器母细胞(haustorial mother cells, HMCs)的发育情况；4）利用KASP (Kompetitive Allele-Specific PCR)分子标记技术对9个Lr抗性基因进行基因分型；5）通过qRT-PCR技术分析病原相关蛋白基因PR2和PR4在锈菌侵染不同时间点的表达动态。

3.1. 通过HMCs形成的显微分析评估新春小麦突变系和携带Lr抗性基因的近等基因系对P. triticina接种的苗期抗性

研究人员对13个M₇代突变体进行显微观察发现，100 Gy组中66.7%的突变体（4/6）和200 Gy组中71.4%的突变体（5/7）同时表现出对LR的成株抗性和苗期抗性。在72和168小时接种后(hai)，抗性突变体中HMCs数量显著减少甚至完全缺失，而感病对照品种Borenos则呈现大量HMCs和夏孢子堆。

3.2. 通过吸器母细胞形成的新春小麦突变系对条锈病苗期抗性的显微分析

所有突变体对YR均表现出良好的抗性，特别是在10天接种后(dai)，多数突变体完全不产生HMCs和夏孢子。值得注意的是，突变系MEr/9在接种后完全未检测到HMCs，表现出极强的抗病性。

3.3. 小麦基因型中77WxR P. triticina和"Warrior" P. striiformis时间依赖性接种后真菌结构发育的显微观察

显微观察揭示了抗感材料在病菌发育过程中的显著差异。感病材料中可见丰富的菌丝网络、HMCs和夏孢子堆，而抗病材料中仅观察到萌发的芽管和少量菌丝，且伴随明显的自体荧光现象，表明植物防御机制的早期激活。

3.4. 利用KASP标记挖掘新春小麦突变系中叶锈病抗性基因

KASP基因分型结果显示，92.3%的突变体（12/13）携带Lr2a和Lr14基因的"a"等位基因。其中69.2%的突变体（9/13）表现出高水平的抗性，而剩余30.8%的突变体虽然携带相同等位基因但仍表现感病，表明可能存在其他基因的参与。

3.5. 感病和抗病春小麦突变系苗期在LR感染后不同时间点病原相关(PR)蛋白基因的表达

基因表达分析揭示了PR2和PR4基因的时序性表达模式。PR4（几丁质酶）在侵染早期（24 hai）显著上调，而PR2（β-1,3-内切葡聚糖酶）在后期（48和72 hai）表达量显著增加。值得注意的是，高抗性突变体同时具有较高的籽粒铁含量，表明微量元素状态可能影响植物的免疫应答。

本研究通过综合运用生理学、分子生物学和遗传学方法，系统解析了富铁锌小麦突变体对锈病的抗性机制。研究发现多数突变体同时具有对叶锈病和条锈病的成株期和苗期抗性，这种双重抗性为培育持久抗病品种提供了宝贵资源。分子标记分析表明Lr2a和Lr14基因的"a"等位基因与部分抗性相关，但可能存在其他未知基因的贡献。

特别重要的是，研究首次揭示了PR2和PR4基因在锈菌侵染过程中的时序性表达模式：几丁质酶(PR4)在早期发挥作用，而β-1,3-内切葡聚糖酶(PR2)在后期起主要作用，这种协同作用可能增强了植物的防御能力。更引人注目的是，抗性突变体往往具有较高的籽粒铁含量，表明微量元素生物强化与疾病抗性之间可能存在正相关关系，这为同时实现营养品质和抗病性的协同改良提供了新视角。

该研究不仅创制了具有应用价值的育种材料，还深入揭示了抗病性与微量元素状态之间的内在联系，为设计多性状协同改良的小麦育种策略提供了重要理论基础。这些发现对保障粮食安全、改善人群营养健康状况具有重要意义，代表了作物育种领域的一个创新性研究方向。