通过多基因位点全基因组关联分析揭示小麦（Aegilops derivatives）对白粉病抗性的遗传结构

《Physiotherapy》：Uncovering Genetic Architecture of Powdery Mildew Resistance in Wheat- Aegilops Derivatives via Multi-Locus Genome Wide Association Mapping

小麦白粉病抗性QTNs鉴定及候选基因挖掘：通过多环境ML-GWAS分析发现48个QTNs（29SNP）与PM抗性相关，其中QTN_PM_EU2518在四组数据中均显著，并鉴定123个候选基因（直接/间接），涉及疾病抵抗相关蛋白及WRKY/NB-ARC/LRR结构域基因，为分子育种提供标记。

　　

伊姆兰·谢赫（Imran Sheikh）| 肖布·艾哈迈德（Shoeb Ahmed）| 吉滕德拉·库马尔（Jitendra Kumar）| 维克拉兰特·泰亚吉（Vikrant Tyagi）| 尼拉杰·库马尔·瓦西斯塔（Neeraj Kumar Vasistha）| 苏什玛·夏尔玛（Sushma Sharma）| 乔伊·罗伊（Joy Roy）| 哈查兰·辛格·达利瓦尔（Harcharan Singh Dhaliwal）

印度旁遮普邦莫哈利（Mohali）加鲁安（Gharuan）昌迪加尔大学（Chandigarh University），邮编140413

摘要

由Blumeria graminis f. sp. tritici引起的白粉病（Powdery Mildew，简称PM）对全球小麦生产构成了严重威胁。为确保小麦产量的安全，必须将抗PM基因整合到易感小麦品种中。在本研究中，我们通过多基因位点全基因组关联分析（ML-GWAS）技术，在喜马拉雅山麓的自然田间条件下，利用六种不同的GWAS模型，鉴定了与PM抗性相关的数量性状核苷酸（Quantitative Trait Nucleotides，简称QTNs）。在四个数据集中共鉴定出48个QTNs（涉及29个SNP）：环境1（E1；2017-18年）中有11个QTNs，环境2（E2；2018-19年）中有7个QTNs，环境3（E3；2019-20年）中有16个QTNs，以及涵盖所有三个环境的合并数据集（CE：E1+E2+E3）中有14个QTNs，分析使用了10,825个SNP（单核苷酸多态性）基因型数据。值得注意的是，只有1个QTN（QTN_PM_EU2518）在所有四个数据集中都被检测到。利用这些QTN数据，我们鉴定出了123个与PM抗性相关的候选基因（Candidate Genes，简称CGs）（其中15个直接相关，108个间接相关）。这些CGs编码了多种在小麦抗PM防御机制中起重要作用的蛋白质。例如，TraesCS7A03G0017300编码一种抗病蛋白；其他CGs编码的蛋白质具有WRKY、NB-ARC和LRR结构域。对这些CGs的网络分析还显示了它们与其他小麦基因以及与疾病防御机制相关的其他作物基因之间的关联。因此，将QTNs/基因转化为标记物将有助于在育种早期阶段选择出具有更强抗病性的小麦品种。

章节摘录

引言

小麦（Triticum aestivum L.）是一种关键作物，养活了全球三分之一的人口，并提供了每日所需蛋白质和热量的20% [1]。它是发展中国家中第二重要的粮食作物，支撑着8000万农民的生活 [2]。由Blumeria graminis f.sp. tritici (Bgt)引起的白粉病（PM）是一种严重的叶部疾病，可导致小麦产量减少5-62%，并影响面粉质量 [3]。随着对小麦需求的增加，小麦的冠层结构也变得更加密集

遗传材料

最初的全基因组关联分析（GWAS） panel包含了161个样本，包括稳定的小麦-Aegilops替代和添加系。这些系是通过广泛杂交、花粉照射和诱导同源配对育种方法培育出来的 [40, 30, 41]。材料包括三个Aegilops kotschyi样本（PAU396、PAU3790、PAU3573）、三个Aegilops peregrina样本（PAU13772、PAU3519、PAU3477）、一个Aegilops ovata样本（PAU3548）以及面包小麦

频率分布和描述性统计

通过97个稳定的小麦-Aegilops基因型组合，在三种不同环境中进行了表型分析（表S1）。疾病严重程度存在显著差异。所有四个数据集（E1、E2、E3以及合并的CE：E1+E2+E3）中的PM表型数据频率分布以小提琴图形式呈现（图1）。进一步分析了97个小麦-Aegilops样本中PM的描述性统计特性和遗传性

讨论

为了经济、高效且环保地控制植物疾病，必须寻找新的抗源并利用它们来培育抗病品种。本研究中使用的97个小麦-Aegilops替代和添加系由于重组有限，限制了关联图谱的分辨率。然而，由于每个系都携带一个明确的外来染色体片段，这使得关联分析具有针对性

结论

本研究鉴定出的QTNs可以通过MAS（分子标记辅助选择）技术，帮助培育出具有更强抗病性的新小麦品种，这需要通过适当的作图群体进一步验证这些关键QTNs的分离情况。此外，可以利用GWAS鉴定出的理想等位基因的SNP开发合适的KASP（竞争性等位基因特异性PCR）检测方法。鉴定出的CGs需要通过功能基因组学方法进一步验证，随后可用于培育抗病品种

CRediT作者贡献声明

哈查兰·辛格·达利瓦尔（Harcharan Singh Dhaliwal）博士：撰写、审稿与编辑、概念构思。乔伊·罗伊（Joy Roy）博士：撰写、审稿与编辑。苏什玛·夏尔玛（Sushma Sharma）博士：撰写、审稿与编辑。尼拉杰·库马尔·瓦西斯塔（Neeraj Kumar Vasistha）博士：撰写、审稿与编辑、数据分析。维克拉兰特·泰亚吉（Vikrant Tyagi）博士：撰写、审稿与编辑。吉滕德拉·库马尔（Jitendra Kumar）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。肖布·艾哈迈德（Shoeb Ahmed）先生：撰写、审稿与编辑、数据分析。伊姆兰·谢赫（Imran Sheikh）博士：撰写、审稿与编辑、数据整理

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

资助

无资助

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系

致谢

作者衷心感谢墨西哥CIMMYT的Shukhvider Singh博士提供本研究所需的基因型数据，以及印度HP地区Eternal大学的副校长Baru Sahib提供的研究设施。同时，我们也感谢DelCon帮助获取在线科学文献，这对研究工作起到了重要支持作用。