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在小麦种植中，叶锈病（由 Puccinia triticina Eriks 引起）严重威胁产量。研究人员针对印度流行叶锈病的 5 种致病型，对 189 份四倍体小麦进行研究。通过全基因组关联分析，找到 88 个显著相关的数量性状核苷酸（QTNs），这为培育抗叶锈病小麦品种提供了重要依据。
在广袤的麦田里，小麦叶锈病就像一个隐匿的 “杀手”，悄无声息地威胁着全球小麦的产量与质量。由 Puccinia triticina Eriks（简称 Pt）引起的小麦叶锈病，是小麦锈病中最为常见的一种，它能在各种环境中肆虐，让小麦叶片受损，光合作用受阻，进而导致产量大幅下降。在中国，超过一半的小麦种植区域都受到叶锈病的影响，商业麦田的产量损失通常在 10%-30%；在俄罗斯，叶锈病每年都会爆发，造成的产量损失高达 30%-40%。近年来，叶锈病的致病型不断进化，新的毒性菌株层出不穷，许多原本具有抗性的小麦品种逐渐失去抵抗力，这使得寻找新的抗叶锈病基因变得刻不容缓。
为了解决这一难题，来自 ICAR - 国家植物遗传资源局、ICAR - 印度农业研究所等机构的研究人员，开展了一项针对四倍体小麦抗叶锈病的研究。他们的研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，选取了 189 份来自全球不同地区的四倍体小麦种质资源，这些资源涵盖了多种重要的四倍体小麦物种；接着，对这些种质进行基因型分析，利用 Illumina iSelect 90K SNP 阵列技术，筛选出多态性的单核苷酸多态性（SNP）标记；最后，通过全基因组关联分析（GWAS），结合多种多基因座模型，来寻找与抗叶锈病相关的基因位点。
下面来看看具体的研究结果：
- 表型分析：在 2022 年和 2023 年小麦种植季，研究人员在温室条件下对 189 份四倍体小麦进行叶锈病抗性筛选。结果显示，这些小麦对 5 种印度流行叶锈病致病型（77–5、77–6、77–9、12–5 和 104）的反应各不相同。大约 45% 的小麦对 77–5、77–6 和 104 表现出免疫、高抗到中抗的反应，而对 77–9 和 12–5 表现出类似抗性水平的仅占 23%-27%。此外，还发现 5 份小麦（GDP810、GDP845、GDP855、GDP921 和 GDP941）对所有 5 种致病型都具有免疫或高抗特性12。
- 群体结构、遗传多样性和连锁不平衡分析：利用筛选后的 15,144 个 SNP 标记进行分析，发现该群体可分为 3 个亚群。连锁不平衡（LD）衰减分析表明，基因组 A 的 LD 衰减距离为 1.45 Mb，基因组 B 为 1.04 Mb，整个基因组为 1.19 Mb。较短的 LD 衰减距离意味着该群体具有较高的遗传重组率，适合进行高分辨率的 GWAS 分析34。
- 全基因组关联分析：研究人员使用 6 种 ML-GWAS 模型，共鉴定出 88 个与叶锈病抗性显著相关的数量性状核苷酸（QTNs），涉及 5 种不同的致病型。其中，22 个 QTNs 被认为是可靠的，分布在不同的染色体上。例如，染色体 6B 上的 QTN 数量最多，有 17 个。此外，还发现一些 QTNs 与先前报道的锈病抗性区域重合，而另一些则是新发现的56。
- 候选基因鉴定及其电子表达分析：在与叶锈病抗性相关的基因组区域中，研究人员鉴定出 300 多个注释基因，其中 62 个与疾病抗性或防御反应相关。电子表达分析显示，有两个核苷酸结合位点 - 富含亮氨酸重复序列（NBS-LRR）的基因，在叶锈病抗性基因型中表达上调，它们可能是四倍体小麦抗叶锈病的潜在候选基因78。
研究结论和讨论部分意义重大：本研究全面解析了四倍体小麦抗叶锈病的遗传基础，发现了新的候选基因组区域。这些区域可作为标记辅助育种的重要靶点，有助于培育出具有持久抗叶锈病能力的小麦品种，为全球小麦种植抵御叶锈病的威胁提供了有力的支持。同时，研究还揭示了四倍体小麦种质资源在抗叶锈病方面的巨大潜力，为后续进一步挖掘和利用这些资源奠定了坚实的基础。
