基于野生种Solanum gourlayi的马铃薯白线虫抗性QTL定位研究

《Journal of Applied Genetics》：Quantitative trait loci for Globodera pallida resistance derived from wild potato species Solanum gourlayi

本研究针对马铃薯白线虫(Globodera pallida)危害严重的产业难题，通过构建Solanum gourlayi野生种渗入的分离群体，采用DArTseq基因分型技术系统鉴定了8个染色体上控制Pa2/Pa3致病型抗性的QTL位点，其中染色体XII的QTLPa2和VI的QTLPa3分别解释20.9%和21.5%表型变异，为马铃薯抗线虫育种提供了新的分子标记资源和基因聚合策略。

　　

在全球粮食安全面临挑战的今天，马铃薯作为世界第四大粮食作物，其安全生产一直受到多种病虫害的威胁。其中，马铃薯白线虫(Globodera pallida)堪称马铃薯种植者的"隐形杀手"——这些微小的土壤寄生虫通过侵入植物根系建立取食位点，导致植株生长受阻，严重时可造成产量损失高达80%。更棘手的是，雌虫成熟后形成的孢囊能在土壤中存活多年，传统化学防治又对环境不友好，使得培育抗性品种成为最可持续的解决方案。

然而，抗性育种之路并非一帆风顺。目前栽培马铃薯品种中抗白线虫的基因资源相对匮乏，且白线虫不同致病型（如Pa2和Pa3）之间存在特异性互作，导致单一抗性基因难以提供广谱持久的保护。正是在这样的背景下，波兰植物育种与驯化研究所的科研团队将目光投向了马铃薯的野生近缘种Solanum gourlayi，希望通过挖掘其丰富的遗传多样性，为抗线虫育种注入新的活力。

这项发表于《Journal of Applied Genetics》的研究，首次系统解析了源自S. gourlayi的白线虫抗性遗传基础。研究人员通过将抗性野生种质Sg 2/7与感病杂交种DW 94-4235杂交，构建了包含134个株系的双单倍体分离群体（Sgm群体）。在2017-2019年间，他们采用标准化接种方法，分别针对Pa2和Pa3两种致病型进行了多轮抗性表型鉴定，发现抗性在群体中呈连续分布，且对两种致病型的抗性相互独立，暗示其由不同的遗传因子控制。

为了揭示这些遗传因子的本质，研究团队采用高通量DArTseq(多样性阵列技术)进行了全基因组基因分型，构建了总长995 cM、包含1314个标记的高密度遗传图谱。通过QTL区间作图分析，他们在马铃薯的8条染色体上发现了多个抗性相关位点。其中，染色体XII上25.53 cM处的QTL对Pa2抗性的贡献率最高（20.9%），而染色体VI上的QTL对Pa3抗性的解释率可达21.5%。特别值得注意的是，研究人员还开发了CAPS标记Exp928，该标记与VI号染色体上的主要QTL共分离，在群体中的基因型-表型吻合率达到96.3%，显示出良好的应用前景。

在技术方法层面，本研究主要依托三个关键技术体系：首先利用野生种与栽培种杂交构建遗传分离群体；其次采用DArTseq进行全基因组基因分型并构建高密度遗传图谱；最后通过区间作图法进行QTL定位，并结合生物信息学分析候选基因。

QTL分析

研究发现，控制Pa2抗性的QTL主要分布在II、V、XI和XII号染色体上，其中XII号染色体上的位点在2017年数据中表现最为显著。控制Pa3抗性的QTL则更为广泛，分布在IV、V、VI、VII、X、XI和XII号染色体上，其中VI号染色体上的QTL效应最强。多数QTL仅在单年数据中显著，说明抗性表现受环境因素影响较大，但XI号染色体上的QTL在多年数据中均稳定表达，显示出其作为主效QTL的潜力。

分子标记开发

基于QTL峰值区域的DArT标记序列，研究人员成功开发了CAPS标记Exp928。有趣的是，虽然该标记的设计基于XI号染色体序列，但实际定位结果显示其位于VI号染色体1.13-36.6 Mb区域。这种基因组位置的"跳跃"可能反映了S. gourlayi与参考基因组之间的序列差异，也提示该抗性相关序列在基因组中存在多拷贝现象。标记验证实验显示，Exp928的酶切多态性与抗性表型高度一致，为分子标记辅助选择提供了实用工具。

基因组比较分析

通过将QTL侧翼标记与多个茄属物种基因组进行比较，研究人员发现部分在参考基因组中无法定位的DArTseq标记在其他野生种基因组中具有同源序列，且存在染色体间共线性关系。例如标记12452489在S. candolleanum中同时存在于VI和XI号染色体，这为理解茄属物种基因组进化及抗性基因分布提供了新视角。

讨论部分指出，S. gourlayi作为Solanum brevicaule复合体的成员，其抗性机制可能与同组的S. spegazzinii存在相似之处。在VI号染色体QTL区域内，研究人员发现了四个扩张蛋白(expansin)编码基因，这类基因参与细胞壁重构，可能通过影响线虫取食位点的形成而介导抗性。与单基因控制的过敏性反应不同，S. gourlayi来源的抗性更可能表现为"雄性偏向抗性"——即线虫因营养不足而全部发育为雄性，无法完成生活史循环。

这项研究的创新之处在于首次系统揭示了S. gourlayi中白线虫抗性的多基因控制本质，打破了传统上寻找单基因抗源的思维定式。研究人员强调，面对白线虫群体的遗传多样性，通过QTL聚合培育具有多基因背景的抗性品种可能是更可持续的策略。本研究鉴定的QTL位点与开发的分子标记，为马铃薯抗线虫育种提供了新的基因资源和实用工具，对保障马铃薯安全生产具有重要意义。未来研究可进一步解析候选基因的功能，并探索不同QTL组合的协同效应，为设计持久抗性品种提供理论依据。