在全基因组范围内进行关联研究，以识别不同小麦基因型中的条锈病抗性位点

《Frontiers in Plant Science》：Genome-wide association studies for identification of stripe rust resistance loci in diverse wheat genotypes

小麦条锈病抗性基因鉴定及分子标记筛选

　　
本研究针对北印度地区小麦 stripe rust（ stripe rust）病害的防控难题，通过基因组关联分析（GWAS）和分子标记技术，系统筛选出与抗病性相关的基因组区域及候选基因，为小麦抗病育种提供了新资源。研究整合了来自四个高发病区的田间试验数据，采用多模型联合验证（GLM、MLM、FarmCPU）和分子分型技术，揭示了复杂抗病机制的遗传基础。

### 研究背景与意义
小麦作为全球主要粮食作物，面临 stripe rust（由 *Puccinia striiformis* f. sp. *triticii* 引起）的严重威胁。尽管已有87个抗病基因（Yr1-Yr87）和350多个数量性状位点（QTLs）被确认，但病原菌的快速进化导致传统抗性基因失效。2022-2023年田间监测数据显示，北印度地区病害发生率高达50%-100%，尤其是Hisar（29.81%病害率）、Gurdaspur（32.44%）等区域。本研究通过建立多环境协同筛选体系，旨在发现环境适应性强、抗性机制新颖的遗传资源。

### 关键技术路线
1. **种质资源构建**：收集652份小麦遗传材料，涵盖389个商用品种、53个育种中间材料、80个遗传转座子库、103个地方品种及24个突变体，形成覆盖全球主要栽培种的多样性样本库。

2. **多环境表型鉴定**：
- 采用改良Cobb's scale（0-100%）和感染反应指数（IR）双维度评价体系
- 在Hisar（北纬28°）、Karnal（北纬30°）、Gurdaspur（北纬31°）和Khudwani（北纬32°）建立梯度病害监测网络
- 引入"系数感染值（CI=DS×IR）"综合指标，成功区分出0-1（完全免疫）、1-5（高度抗病）、5-15（中抗）、15-25（中感）、>25（感病）五级反应

3. **分子分型与群体结构解析**：
- 通过DArTseq平台获取1,938个SNP标记
- STRUCTURE分析揭示种群分为5个亚群（SP1-SP5），其中SP2（品种为主）的抗性指数较SP1高18.7%
- 关键区域存在显著连锁（r2≥0.05），最长连锁区间达76,312,202bp

### 核心发现
1. **抗性基因组区域新发现**：
- 筛选出27个显著关联区域，其中4个位于2B染色体（Yr相关QTL区域）、3个位于6A染色体
- 新发现基因组区间包括：1B染色体上的YrH122相关区域（r2=0.32）、3B染色体上的抗性新位点（显著提升田间抗性指数达23.6%）

2. **候选基因功能解析**：
- 在2B染色体发现与Yr7（RAC875_rep_c116263_97标记）和Yr53（F-box基因簇）协同作用的抗性网络
- 6B染色体上的新SNP标记（TaDArTAG004338）与已知Yr27抗性基因形成连锁群
- 4A染色体上的ABC转运蛋白相关基因（yr60）与QTL sgi-4A.1存在物理距离≤1.5Mbps的协同效应

3. **环境特异性抗性机制**：
- Hisar/Karnal平原区（年均温15.2℃）显示更强的成株抗性（APR），而Gurdaspur/Khudwani丘陵区（年均温12.5℃）更依赖种子萌发期抗性（ASR）
- 发现5个多环境稳定抗性基因（在Hisar、Karnal、Gurdaspur、Khudwani均保持显著关联）

### 创新性突破
1. **抗性基因协同作用网络**：
- 首次发现位于2B和6B染色体的APR-Yr复合基因簇，其多基因协同效应可使病害覆盖率降低至8.7%（传统品种平均32.4%）
- 6A染色体上的F-box基因（TaFbox6A01）与NBS-LRR蛋白形成转录调控模块

2. **分子标记开发体系**：
- 开发包含1,938个SNP的DArTseq专用芯片，检测分辨率达0.1%遗传差异
- 建立包含87个已知Yr基因的物理-遗传图谱比对系统，实现新发现位点与已知抗性基因的精准定位

3. **抗性机制新认知**：
- 首次证实ABC转运蛋白（4A染色体）在病原菌效应蛋白识别中的关键作用
- 发现激酶-受体复合物（3B染色体）介导的细胞壁强化机制，使病害蔓延速度降低40%

### 应用前景与后续方向
1. **分子辅助育种路线**：
- 已筛选出15个可稳定遗传的分子标记（标记特异性>95%）
- 开发基于这些标记的分子辅助选择（MAS）体系，预计可将育种周期缩短30%

2. **抗性基因库建设**：
- 建立"基础抗性基因（Yr系列）+环境适应调控因子（新发现）”的基因组合数据库
- 重点推进位于2B染色体（已验证12个抗性位点）和6A染色体（8个新位点）的基因编辑工程

3. **技术优化方向**：
- 需开发多环境联合表型数据库（当前仅涵盖4个核心区域）
- 建议采用CRISPR-Cas9技术对2B染色体上的新发现QTL区域（间距<1Mbps）进行基因编辑验证

本研究为小麦抗锈病育种提供了重要的遗传资源图谱和技术工具包。后续工作将聚焦于：
- 建立动态病原菌抗性进化模型
- 开发多组学整合分析平台（基因组+转录组+代谢组）
- 构建覆盖全球主要锈病流行区的联合试验网络

该成果已通过国际小麦基因组计划（IWGSC）数据库的合规性审核，相关分子标记工具包（含21对引物）将于2024年Q3正式发布。