硬粒小麦抗细菌性叶斑病主效QTL的发掘与验证：全基因组关联分析与双亲定位揭示6AS染色体关键位点

《Theoretical and Applied Genetics》：Genome-wide association and biparental mapping revealed a major quantitative trait locus associated with seedling resistance to bacterial leaf streak in durum

本研究针对硬粒小麦中细菌性叶斑病（BLS）抗性资源匮乏和遗传机制不清的问题，通过评价北美和全球硬粒小麦种质资源，结合全基因组关联分析（GWAS）和双亲定位，鉴定出20份高抗种质，并发现位于6AS染色体末端的主效QTL（QBls.zhl-6A），为硬粒小麦和普通小麦抗BLS育种提供了重要的基因资源和分子标记。

　　

在全球小麦生产中，一种名为细菌性叶斑病（Bacterial Leaf Streak, BLS）的病害正悄然抬头，给农民和育种家带来新的挑战。这种病害由Xanthomonas translucens pv. undulosa（Xtu）细菌引起，在小麦叶片上产生特征性的水渍状条纹，严重时可导致叶片枯死，直接影响光合作用和产量。历史上，BLS主要在温暖潮湿地区零星发生，但近二十年来，在美国北部春小麦和硬粒小麦主产区——北达科他州及周边地区，其暴发频率明显增加，造成的经济损失惊人：2019年约为470万美元，2020年升至800万美元。更令人担忧的是，对于高度感病的硬红春小麦品种，BLS可导致高达60%的产量损失。化学防治对该病效果不佳，因此，利用遗传抗性进行育种成为最可行且环保的解决方案。

然而，与普通小麦（面包小麦）相比，硬粒小麦（主要用于制作意大利面等食品）的抗BLS研究严重滞后。当前主栽的硬粒小麦品种抗性如何？全球硬粒小麦种质资源中是否存在宝贵的抗病材料？控制抗性的遗传位点在哪里？这些问题都亟待解答。正是为了应对这一严峻形势，由Fazal Manan、Xuehui Li、Zhaohui Liu等科学家组成的研究团队在《Theoretical and Applied Genetics》上发表了他们的最新研究成果，系统揭示了硬粒小麦对BLS的抗性资源及其遗传基础。

为了回答上述问题，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，他们对三个不同来源的硬粒小麦材料（包括14份北达科他州立大学培育的品种、511份来自全球硬粒小麦小组（Global Durum Panel, GDP）的种质以及两个重组自交系群体BP025和RP336）进行了温室接种鉴定，使用高毒力Xtu菌株BLS_P3，并采用感染类型（IT, 0-5级）和水渍面积百分比（%WS, 0-100%）两种方法精确评估病害严重度。其次，利用Illumina iSelect 90K SNP芯片对GDP种质进行基因分型，并采用整合群体结构和亲缘关系（PK模型）的全基因组关联分析（GWAS）来寻找与抗性显著相关的分子标记。最后，利用已发表的高密度遗传连锁图谱，对两个重组自交系群体进行数量性状位点（QTL）定位（包括简单区间作图SIM和复合区间作图CIM），以验证GWAS结果并精确定位抗病QTL。

反应 of durum cultivars to BLS

研究人员首先评估了北达科他州立大学（NDSU）培育的14个硬粒小麦品种对BLS的反应。结果表明，大多数品种表现为感病，只有少数例外。其中，品种‘Ben’、‘Divide’、‘Pierce’和‘Alkabo’表现出较低的平均感染类型（AvIT，1.0-2.0）和平均水渍面积（Av%WS，14.1%-19.1%），其抗性水平与抗病对照普通小麦品种‘Boost’相当。而硬粒小麦品系‘Rusty’和品种‘ND Grano’则高度感病。这为当地育种和生产中选择抗病品种提供了直接依据。

Reaction of GDP durum accessions to BLS

对全球硬粒小麦小组（GDP）511份种质的评价揭示了更广泛的抗性变异。大多数种质（79.2%）表现为感病或高感，但仍有20.8%的种质表现出抗病反应（AvIT < 2.0）。其中，25份种质的Av%WS低于10%，显示出高水平的抗性。研究人员列出了20个最抗病的种质，它们主要来自法国、国际干旱地区农业研究中心（ICARDA）和阿根廷等地，包括品种和育种品系。这些种质是未来抗病育种的重要资源库。

Association mapping

通过GWAS分析，研究人员发现了一个与抗性显著相关的核心区域。一个位于6A染色体短臂（6AS）末端的SNP标记RAC875_c13610_2646（物理位置：Svevo参考基因组6A: 1,202,829 bp）与AvIT和Av%WS均极显著相关，分别解释了6.72%和5.65%的表型变异。此外，在5A染色体上也检测到一些显著相关的标记，但其效应值远小于6A位点。使用BLINK和MLMM模型进行验证，6A位点仍然是效应最显著的位点。

Reaction of two durum biparental populations to BLS

两个重组自交系（RIL）群体（BP025和RP336）的亲本在抗性上差异显著。BP025群体的抗病亲本为‘Ben’，感病亲本为栽培二粒小麦PI 41025。RP336群体的抗病亲本为埃塞俄比亚地方品种PI 387336，感病亲本为‘Rusty’。两个群体的后代均出现了从高抗到高感的连续分离，并存在超亲分离现象，表明抗性由多基因控制。

QTL identification in BP025 and RP336

QTL定位结果与GWAS相互印证。在BP025群体中，检测到一个主效QTL，命名为QBls.zhl-6A，位于6AS染色体最末端0-2 cM的区间内，其LOD值高达9.4（AvIT）和8.1（Av%WS），可解释18.0%-21.0%的表型变异。在RP336群体中，同样在6AS染色体上检测到一个主效QTL（QBls.zhl-6A.1），其遗传位置与BP025群体中的QTL相近，LOD值为8.7（AvIT）和8.2（Av%WS），解释23.0%的表型变异。此外，在两个群体中还检测到效应较小的QTL，分别位于5A和3A染色体上，但它们的重要性远不及6A主效QTL。值得注意的是，通过比较物理位置，GWAS发现的显著标记RAC875_c13610_2646与BP025群体中支撑主效QTL的标记wsnp_Ex_rep_c67563_66193104（6A: 1,197,947 bp）位置非常接近，强烈表明GWAS和双亲定位鉴定的是同一个控制BLS抗性的主效位点。该位点附近编码一个E3泛素连接酶的基因（TRITD^v16AG000770），可能与抗病反应相关。

综上所述，本研究首次系统地评估了硬粒小麦对细菌性叶斑病（BLS）的抗性，在全球种质资源中鉴定出多份高抗材料，特别是发现并验证了一个位于6AS染色体末端的主效数量性状位点（QTL）QBls.zhl-6A。该QTL在不同遗传背景（现代品种、地方种、双亲群体）和不同分析方法（GWAS、双亲QTL定位）中均被重复检测到，证明了其稳定性和重要性。研究的讨论部分指出，此前在普通小麦或栽培二粒小麦中均未报道过6A染色体上的BLS抗性QTL，提示该位点可能是硬粒小麦特有的宝贵抗源。鉴于硬粒小麦与普通小麦共享AABB基因组，将QBls.zhl-6A导入普通小麦以增强其BLS抗性具有可行性。研究所鉴定的抗病种质和与主效QTL紧密连锁的SNP标记（如RAC875_c13610_2646）为分子标记辅助选择育种提供了直接可用的工具，将显著加速硬粒小麦乃至普通小麦抗BLS品种的选育进程，对于应对日益严重的BLS威胁、保障全球小麦安全生产具有重要的理论和实践意义。