大麦全基因组关联分析揭示赤霉病抗性与脱氧雪腐镰刀菌烯醇积累的遗传位点及单倍型多样性

这篇研究通过全基因组关联分析(GWAS)鉴定了大麦中24个影响赤霉病(FHB)严重性和20个影响脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)积累的定量性状位点(QTL)，并构建了多标记单倍型以评估单倍型多样性。研究发现部分QTL独立于抽穗期(HD)和株高(HT)等农艺性状，为抗性育种提供了重要靶点。

　　

赤霉病抗性与DON积累的遗传机制研究

引言

赤霉病(FHB)是由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)引起的大麦毁灭性病害，不仅造成产量损失，还会导致真菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)在籽粒中积累。由于抗性呈数量遗传特性，且多数已鉴定的QTL效应较小或与不良农艺性状共定位，抗病育种面临巨大挑战。

材料与方法

研究选用234份大麦种质(含102份六棱和133份二棱类型)组成多样性群体，在多年多点田间试验中评估FHB严重性(感染籽粒百分比)和DON含量(GC-MS测定)。利用50K Illumina SNP芯片进行基因分型，经质控后保留25,589个SNP标记。采用混合线性模型(MLM)进行GWAS分析，校正群体结构(Q)和亲缘关系(K)。对显著关联位点构建5标记单倍型，评估单倍型-性状关联。

关键发现

1. 1.

   QTL定位结果

   • •

     鉴定到26个FHB-QTL(最大效应23.9%)和26个DON-QTL(最大效应4.25 mg kg^-1)，其中6号染色体35.28 Mbp位点(JHI-Hv50k-2016-383129)同时关联两个性状。

   • •

     2号染色体25.38-26.15 Mbp区域检测到6个FHB-QTL，与抽穗期基因Ppd-H1共定位，其不利等位基因使病害严重性增加13.65%。

2. 2.

   候选基因分析

   • •

     抗性相关基因富集在LRR受体激酶(如3HG0225310)、细胞色素P450(如3HG0226020)和谷胱甘肽S-转移酶(如3HG0281290)等通路。

   • •

     4号染色体15.6 Mbp的DON-QTL(D12)邻近Teosinte branched 1(INT-C)基因，可能与二棱大麦较低的DON积累相关。

3. 3.

   单倍型多样性

   • •

     单倍型等位基因数介于4-17个，其中3号染色体14.35 Mbp的D7单倍型(DON抗性)和2号染色体25.88 Mbp的F6单倍型(FHB抗性)分别降低5.01和5.11个表型单位。

   • •

     野生大麦渗入系S42IL_170携带12个最优DON单倍型，而加拿大品种CN 3867具有19个最优FHB单倍型。

研究意义

该工作通过整合GWAS与单倍型分析，首次系统鉴定了独立于农艺性状的FHB/DON抗性位点，为多亲本群体构建提供了理论依据。发现的LRR激酶和解毒酶相关基因为分子设计育种提供了新靶点，而稀有抗性单倍型的挖掘将促进大麦抗病种质创新。目前基于该研究已启动8亲本MAGIC群体构建，旨在聚合最优等位基因组合。

创新点

1. 1.

   采用滑动窗口法确定单倍型大小(5个标记/0.65-0.95 Mbp)，平衡了LD衰减与标记密度

2. 2.

   发现3号染色体14.2-14.4 Mbp区域存在新型DON抗性簇(D5-D7)

3. 3.

   揭示FHB与DON抗性部分独立遗传(r=0.44)，为同步改良提供策略