玉米（Zea Mays L.）对 turcicum 叶枯病抗性的基因组学研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Genomic insights for turcicum leaf blight resistance in maize ( Zea Mays L.)

本研究针对由Setosphaeria turcica引起的玉米大斑病（TLB）这一严重威胁全球玉米生产的叶部病害，通过全基因组关联分析（GWAS）鉴定出16个显著标记性状关联（MTAs）和18个候选基因（CGs），包括Zm00001eb226290和Zm00001eb293670等关键抗病基因，为玉米抗病育种提供了重要的遗传资源和分子靶点，对推动基因组选择（GS）和分子育种具有重要意义。

　　

玉米作为全球重要的粮食、饲料和生物燃料作物，其生产常受到多种生物胁迫的严重影响，其中由真菌Setosphaeria turcica（旧称Exserohilum turcicum）引起的大斑病（Turcicum Leaf Blight, TLB）是一种毁灭性叶部病害，可导致25%–90%的产量损失。病害症状通常从下部叶片开始，呈现雪茄形病斑，逐渐向上扩展，最终破坏叶片组织，降低光合能力，影响碳水化合物合成和籽粒产量。尽管已鉴定出多个抗性基因（如Ht1、Ht2、Ht3等），但TLB抗性是由多基因控制的复杂数量性状，其遗传机制在热带玉米种质中仍缺乏深入解析，尤其是在亚洲地区。因此，利用现代基因组学手段挖掘抗性基因资源，对于培育持久抗病品种、保障玉米生产安全具有重要意义。

为了系统解析玉米TLB抗性的遗传基础，研究人员在2018–2022年期间，在印度的四个病害热点地区（Bajaura、Mandya、Dharwad和Srinagar）对384份玉米自交系组成的多样性关联群体（AMP）进行了表型鉴定，并利用60,227个SNP标记进行了基因型分析。表型评估采用病害严重度评分（1.0–9.0 scale）和病害发生率（PDI）作为指标，并通过最佳线性无偏预测（BLUP）和多环境数据整合，筛选出稳定抗性种质。基因型数据通过基因分型测序（GBS）技术获得，利用ApeKI酶切构建文库，Illumina HiSeq平台进行测序，经过质量控制和比对参考基因组后，调用高质量SNP。群体结构和连锁不平衡（LD）分析采用STRUCTURE和PCA方法，全基因组关联分析（GWAS）则使用TASSEL软件中的一般线性模型（GLM）和混合线性模型（MLM），以控制假阳性。候选基因预测通过Ensembl Plants数据库进行，基因功能注释和富集分析利用GO和KEGG工具完成。

3.1. Phenotypic variability for TLB disease

在不同环境下，群体表现出广泛的表型变异，平均病害评分介于2.1–7.7，PDI介于19.6%–77.7%。通过GGE双标图分析，鉴定出10个稳定抗性自交系，包括CML 334 W、UMI 1200、DML 112等，这些材料在多环境中均表现低PDI值，而6个自交系（如CM 202）则高度感病。主成分分析（PCA）显示，PC1和PC2分别解释了57.4%和32.6%的表型变异，表明环境与基因型互作显著。

3.2. Population structure and linkage disequilibrium (LD)

PCA和STRUCTURE分析将群体划分为6个亚群，主要依据种质来源和遗传背景。连锁不平衡分析显示，基因组平均LD（r²）为0.46，随物理距离增加而衰减，在10 kb处降至0.49，表明群体适合进行高分辨率GWAS。

3.3. GWAS for TLB disease resistance

GWAS共鉴定出16个显著MTAs（P < 0.05），分布除1、9和10号染色体外的所有染色体，其中4号染色体携带最多关联位点（6个SNP）。这些SNP的表型变异解释率（R²）介于23%–30%，7个MTAs与既往报道区域重叠，9个为新发现。关键SNP如SChr4_60643199、SChr8_148909176等在多个环境和BLUP值中均显著。

3.4. Candidate genes and ortho-CGs in the identified regions

在关联区域内共预测出18个候选基因（CGs），其中5个与高粱、水稻和小麦具有共线性。这些基因主要富集在细胞解剖实体、结合功能和细胞过程等GO类别，涉及PPR蛋白、甲基转移酶、激酶结构域等功能域。例如，Zm00001eb226290编码Pentatricopeptide repeat（PPR）蛋白，参与RNA编辑和抗病响应；Zm00001eb293670编码核苷酸结合（NB）结构域蛋白，与NLR类抗病蛋白同源。这些基因在植物防御病原侵染中发挥关键作用，如调控信号转导、次生代谢物合成和病原识别。

本研究通过多环境表型鉴定和高密度基因组标记，系统解析了热带玉米TLB抗性的遗传架构，鉴定出多个稳定抗性种质、显著MTAs和功能候选基因。这些发现不仅为理解TLB抗性的分子机制提供了新见解，而且为分子标记辅助选择（MAS）、基因组选择（GS）和基因编辑育种提供了实用靶点。例如，候选基因Zm00001eb226290和Zm00001eb293670可直接用于开发功能标记，加速抗病品种选育。此外，研究采用的GWAS和群体遗传学方法为其他复杂性状解析提供了范例。未来工作需在更多遗传背景和环境中验证这些MTAs和CGs的功能，并通过转基因或基因编辑技术明确其抗病机制，最终实现玉米生产的可持续防控。

论文发表于《Journal of Agriculture and Food Research》。