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菠菜枯萎病（Fusarium wilt）由尖孢镰刀菌菠菜专化型（Fusarium oxysporum f. sp. spinaciae，Fos）引起，严重威胁美国太平洋西北部菠菜种子生产。研究人员对 84 种菠菜基因型进行研究，定位到 12 个与枯萎病抗性相关的 SNP，可用于辅助育种，增强菠菜抗病性。
在蔬菜种植领域，菠菜是深受大众喜爱的蔬菜品种。然而，一种名为菠菜枯萎病的疾病，却如同潜伏在菠菜种植中的 “恶魔”，给菠菜的生产带来了巨大的挑战。菠菜枯萎病是由尖孢镰刀菌菠菜专化型（Fusarium oxysporum f. sp. spinaciae，Fos）引起的，它是一种土传病原体。在美国太平洋西北部这个重要的菠菜种子生产区域，当地的酸性土壤非常适宜这种病原体长期存活，而且种子种植者可选择的防治手段有限。
在过去，种子种植者为了应对菠菜枯萎病，尝试了多种方法。比如在从未种植过菠菜的处女地种植，或者让土地休耕超过 10 年再种菠菜；也会施加农业石灰提高土壤 pH 值，同时叶面喷施锌和锰等微量元素，还会采用覆盖作物、添加有机改良剂等方式改善土壤健康状况。但即便采取了这些措施，菠菜枯萎病依然让种植者们头疼不已。因为目前用于杂交种子生产的大多数菠菜自交系对 Fos 非常敏感，而且种子种植者对于所种植的自交系对枯萎病的易感性了解不足，这就导致一旦杂交菠菜种子作物中的任何一个自交系高度易感枯萎病，种植者就可能遭受重大损失，甚至可能面临绝收的风险。
为了攻克菠菜枯萎病这个难题，华盛顿州立大学（Washington State University）、阿肯色大学（University of Arkansas）等机构的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为菠菜种植带来了新的希望。
研究人员开展了一项关于菠菜枯萎病抗性的全基因组关联研究（Genome wide association study，GWAS）。在这项研究中，他们使用了基因型测序（Genotyping - by - sequencing，GBS）技术来识别单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphism，SNP）标记，进而定位与菠菜枯萎病抗性相关的数量性状位点（Quantitative trait loci，QTL）。
研究人员选用了 84 种菠菜基因型，其中包括 68 种野生菠菜（Spinacia turkestanica）和 16 种栽培菠菜（Spinacia oleracea）。这些野生菠菜最初收集于乌兹别克斯坦和塔吉克斯坦，栽培菠菜则来自美国农业部国家植物种质系统（National Plant Germplasm System，NPGS）。同时，他们还设置了三个不同抗性水平的菠菜自交系作为对照。
研究人员在温室中种植这些菠菜，设置了中等（12,500 孢子 /ml 盆栽培养基）和高（37,500 孢子 /ml 盆栽培养基）两种接种密度，用包含 1 号和 2 号小种的 Fos 混合菌株对菠菜进行接种。在菠菜生长的第 28、35 和 42 天，研究人员按照 0 - 5 的等级标准对菠菜枯萎病的严重程度进行评级，记录不同病情等级的幼苗数量，并计算枯萎病严重指数（Fusarium wilt severity index，FWSI）和病情进展曲线下面积（Area under the disease progress curve，AUDPC），实验结束后还测定了菠菜地上部分的干生物量。
通过对实验数据的统计分析，研究人员发现，菠菜基因型、Fos 接种密度以及它们之间的相互作用对 FWSI 和 AUDPC 有显著影响，但对菠菜干生物量的影响不显著。在 68 种野生菠菜中，有 17 种和 8 种分别在中等和高接种密度下表现出较高的抗性。与栽培菠菜相比，野生菠菜在枯萎病抗性上表现出明显优势，其平均 FWSI 更低，AUDPC 值也更小，干生物量更高。
研究人员对菠菜进行 DNA 测序和标记发现，通过多种 GWAS 模型分析，最终确定了 12 个与菠菜枯萎病抗性显著相关的 SNP，这些 SNP 位于 1、3、4 和 6 号染色体的 10 个 QTL 区域。其中，位于 6 号染色体上的 SNP S6_38110665 在多个 GWAS 模型中得到验证，对降低菠菜枯萎病严重程度有显著作用，其标记效应范围为 - 2.48 至 - 2.79。在靠近该 SNP 的区域，研究人员还发现了一些可能与抗性相关的候选基因，如脱水响应元件结合蛋白 2A（Dehydration - responsive element - binding protein 2A，DREB）和乙烯响应元件结合因子 2（Ethylene responsive element binding factor 2，ERF2）等转录因子。
这项研究意义重大。首先，研究人员发现了 8 种对 Fos 具有抗性的野生菠菜（Spinacia turkestanica），为菠菜育种提供了宝贵的抗性资源。其次，定位到的与菠菜枯萎病抗性相关的 QTL，尤其是位于 6 号染色体上经多模型验证的主效 QTL，可以通过标记辅助选择（Marker - assisted selection，MAS）技术导入栽培菠菜（Spinacia oleracea）中，从而增强菠菜杂交品种对枯萎病的抗性，减少种植者因枯萎病造成的损失，保障菠菜种子的生产。此外，该研究也为后续深入研究菠菜枯萎病抗性的遗传机制奠定了基础，有助于推动菠菜育种工作的发展。
研究人员开展这项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：一是基因型测序（GBS）技术，用于对菠菜基因组进行测序，识别单核苷酸多态性（SNP）标记；二是运用多种全基因组关联研究（GWAS）模型，分析 SNP 与菠菜枯萎病抗性之间的关联；三是构建包含不同菠菜基因型的实验群体，设置不同接种密度进行实验，通过统计分析实验数据，挖掘与枯萎病抗性相关的基因位点。
在研究结果部分，研究人员通过对野生菠菜枯萎病抗性的筛选实验，发现不同菠菜基因型对 Fos 的抗性存在显著差异，野生菠菜中部分基因型在高接种密度下也表现出良好抗性。在群体结构分析方面，研究人员利用 UPGMA 和 STRUCTURE 软件分析发现，菠菜可分为三个不同的群体，这为后续研究抗性的遗传来源提供了参考。在 GWAS 和候选基因研究中，研究人员确定了 12 个与菠菜枯萎病抗性相关的 SNP，并发现了一些可能参与抗性调控的候选基因。
综合研究结论和讨论部分，该研究成功地从野生菠菜中挖掘出了对菠菜枯萎病的抗性资源，定位到了关键的抗性 QTL 及相关候选基因。这不仅为菠菜育种提供了有效的分子标记，促进标记辅助选择在菠菜抗病育种中的应用，而且为深入理解菠菜枯萎病抗性的遗传机制提供了重要依据，对推动菠菜产业的健康发展具有重要意义。未来，研究人员还可进一步探究这些抗性来源的遗传特性，为培育更抗枯萎病的菠菜品种提供更坚实的理论支持。
