多模型全基因组关联研究解析大麦成株抗秆锈病遗传机制与新型抗性位点发掘

本综述通过多模型GWAS方法系统解析了大麦（Hordeum vulgare L.）对秆锈病（Puccinia graminis f. sp. tritici, Pgt）的成株抗性（APR）遗传架构。研究在哈萨克斯坦两种环境中对273份大麦种质进行表型鉴定，结合高密度SNP基因分型，鉴定出19个模型稳定的数量性状位点（QTL），其中7个为主效QTL。研究不仅验证了已知抗性基因（如Rpg1、Rpg6），还发现位于5H染色体上新型主效QTL Q_rpg_5H.1（3.5–9.9 Mb），其包含WRKY转录因子、PR-5蛋白等10个高表达候选基因。通过转录组与共表达网络分析，揭示了抗性相关基因在细胞壁修饰、脂质代谢、氧化应激等通路中的协同作用，为标记辅助选择（MAS）和持久抗性育种提供了重要靶点。

　　

引言

秆锈病（Stem Rust, SR）由禾柄锈菌小麦专化型（Puccinia graminis f. sp. tritici, Pgt）引起，是全球大麦生产的主要威胁，尤其在气候适宜地区及病原群体不断进化的区域。尽管对大麦苗期抗性的理解已有进展，但成株抗性（Adult Plant Resistance, APR）在多样化大麦种质中仍研究不足。本研究旨在利用全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study, GWAS）方法解析来源于不同地区的二棱春大麦群体中APR对SR的遗传基础。

材料与方法

研究材料包括273份来源于美国、哈萨克斯坦、欧洲、非洲和中东地区的春性二棱大麦种质，在哈萨克斯坦两个不同环境（RIBSP和KRIAPG）进行田间评估。利用50K Illumina Infinium iSelect SNP芯片进行基因分型，结合表型数据，采用五种统计模型（GLM、MLM、MLMM、FarmCPU和BLINK）进行GWAS分析。通过群体结构和亲缘关系控制，鉴定出稳定的标记-性状关联（Marker-Trait Associations, MTAs），并基于单倍型进行QTL界定。利用16个大麦组织的转录组数据，在主要QTL区域内筛选候选基因。

结果

共鉴定出204个显著性MTAs（P < 1.00×10^?4），其中96个在不同模型中稳定出现，最终归并为19个模型稳定的QTL，分布在大麦全部7条染色体上。6个QTL与已知抗SR的QTL或基因（包括Rpg1和Rpg6）共定位。其中，Q_rpg_7H.1（与Rpg1重合）是最强且最一致的QTL，包含42个高表达候选基因。位于5H染色体上的新主效QTL——Q_rpg_5H.1（3.5–9.9 Mb）此前未与任何已知抗性位点相关，该区域包含10个高表达基因，可分为三个共表达簇，包括WRKY转录因子和PR-5蛋白。

讨论

表型变异与性状相关

在两个试验环境中，大麦种质对SR表现出广泛的表型变异。RIBSP环境平均病害严重度为4.4（9分制），KRIAPG为5.2。病害严重度与株高（Plant Height, PH）呈显著正相关，与千粒重（Thousand Kernel Weight, TKW）呈负相关，说明病害可能影响光合产物分配和籽粒灌浆。

稳定与新型QTL的鉴定

群体结构分析显示，大麦种质可分为美国来源和其他地区两大类群。GWAS分析鉴定出19个模型稳定QTL，其中Q_rpg_5H.3和Q_rpg_7H.1在所有五种模型和两个环境中均被检测到，表明其对SR抗性具有重要且稳定的贡献。Q_rpg_7H.1包含60个关联SNP，与已知Rpg1基因位置重合，而Q_rpg_5H.1是一个新发现的主效QTL。

Q_rpg_7H.1（Rpg1）的转录与功能解析

该区域42个高表达基因涉及脂肪酸与脂质代谢、免疫防御反应及细胞壁组织等生物学过程。共表达网络分析显示，这些基因形成包括细胞壁完整性维护（如果胶酯酶抑制剂）、能量代谢、氧化应激响应和程序性细胞死亡调节在内的多模块防御架构，与Rpg1介导的抗性机制一致。

新型QTL Q_rpg_5H.1的候选基因分析

该QTL区域内10个高表达基因分为三个共表达簇。第一簇包含WRKY51转录因子、类甜蛋白（thaumatin-like protein, PR-5）、ALA互作亚基和半胱氨酸合酶；第二簇包含另一个类甜蛋白、15-顺式-八氢番茄红素合酶和一个功能未知基因；第三簇包含GRF结构域蛋白和另一个未知基因。这些基因模块共同构成了一个整合转录调控、直接抗真菌活性、代谢支持和信号转导的多层次防御网络，为大麦抗SR育种提供了新的基因资源。

结论

本研究通过多模型GWAS方法系统解析了大麦对秆锈病的成株抗性遗传基础，鉴定出19个模型稳定QTL，其中7个为主效QTL。研究不仅验证了已知抗性基因如Rpg1和Rpg6的有效性，还发现了一个位于5H染色体上的新型主效QTL Q_rpg_5H.1。该QTL包含WRKY转录因子、PR-5蛋白等重要候选基因，通过共表达网络分析揭示了其在防御响应中的模块化作用。这些发现增强了对大麦SR抗性遗传架构的理解，为分子标记辅助选择培育持久抗性品种提供了重要的基因靶点和育种策略，尤其适用于哈萨克斯坦及类似农业生态区。