NPGS苏丹高粱种质资源揭示新型抗锈病R基因簇（Rp2）及其在禾本科作物中的保守性功能

本研究通过全基因组关联分析（GWAS）在苏丹高粱核心种质中鉴定出一个位于8号染色体的57 kbp抗锈病（Puccinia purpurea）位点Rp2，该位点包含5个同源R基因（NBS-LRR结构），其直系同源基因在玉米（Zea mays）和水稻（Oryza sativa）中分别调控南方锈病和褐飞虱抗性，为禾作物抗病育种提供了跨物种保守性靶点。

　　

材料与方法

研究对268份美国国家植物种质系统（NPGS）苏丹高粱核心种质进行了为期4年（2014-2021）的多环境锈病抗性评价。在波多黎各伊莎贝拉和玛雅圭斯两个试验点采用完全随机设计，使用1-5级严重度评分标准（1=无病斑，5=66%-100%叶面积感染）进行表型鉴定。通过基因分型测序（GBS）获得的183,184个SNP中筛选5,366个无连锁标记进行群体结构分析，采用固定和随机模型循环概率统一（farmCPU）模型进行GWAS分析，利用PLINK进行连锁不平衡（LD）区块界定。

抗性种质筛选与群体分布

四年多点鉴定发现18个稳定抗病（评分<2.0）种质，其中PI 568621、PI 569393、PI 570548和PI 570974在所有环境中均未出现锈病疱斑。抗性种质主要分布于群体3（5份）和混合群体（11份），群体结构分析显示群体3存在显著抗性选择信号（χ²=17.0, p<0.0001）。系统发育分析表明抗性机制在群体内具有遗传相似性，推测存在两个独立抗源。

基因组关联位点解析

GWAS在8号染色体鉴定到两个显著关联区域：主效位点S8_61201912（-log₁₀p=17.13）位于61.2 Mb，呈负向加性效应（-0.69），其LD区块（61.195-61.202 Mb）包含3个候选基因；次要位点S8_30380270（-log₁₀p=9.38）位于基因间区。主效位点在不同群体中呈现等位基因效应差异，群体3中抗性等位基因频率最高（0.31）且加性效应最强（-1.40）。

Rp2基因簇的结构与进化

候选基因Sobic.008G178200的第一外显子测序发现61个点突变形成7种单倍型，导致31个氨基酸改变（8个保守、10个半保守、13个非保守替换）。该基因与上下游4个同源基因（Sobic.008G177900、Sobic.008G178300、Sobic.008G178500、Sobic.008G178600）共同构成57 kbp的R基因簇，均编码NBS-LRR结构域。系统发育分析将7个单倍型分为3个遗传组，表明该基因簇作为整体（命名为Rp2位点）发挥抗病功能。

跨物种比较基因组学分析

Rp2直系同源基因在玉米中为Zm00001d023311（抗南方锈病Puccinia polysora），在水稻中为Os12G29690（抗褐飞虱Nilaparvata lugens）。与已知Rp1-D位点（玉米Zm00001d023325）的系统发育分析表明Rp2属于新型抗病位点。禾本科基因组共线性分析证实该区域起源于共同祖先，但在不同物种中分化出针对病原菌和害虫的抗性功能。

育种应用价值

Rp2抗性等位基因在温带适应种质（如高粱关联群体SAP）中频率较低（0.05），需通过分子标记辅助选择将其导入优良品种。四个苏丹热带种质（PI 568621等）具备完全抗性且携带Rp2位点，通过光周期适应性改良可成为育种计划的新抗源。该位点的高重组率（LD衰减1.47 kbp）要求开发覆盖57 kbp区域的多标记选择体系。