综述：应对加拿大动态变化的小麦锈菌种群

本综述系统阐述了加拿大小麦叶锈病（由Puccinia triticina引起）的病原群体演化及防控策略。文章重点分析了病原菌毒性变异与遗传多样性，并强调了多病害抗性基因（如Lr34/Sr57、Lr46、Lr67）在协同提升小麦对叶锈病、秆锈病及赤霉病（FHB）抗性中的关键作用，为小麦抗病育种提供了重要理论依据和实践方向。

　　

Abstract

小麦叶锈病由Puccinia triticina Erikss.引起，是加拿大乃至全球范围内最常见、危害最严重的小麦病害之一。为理解该病原群体，加拿大已持续开展超过80年的毒性监测。分析表明，P. triticina群体的毒性特征及对关键抗性基因的毒性频率随时间显著变化，并存在地区差异。近期基于2018–2022年代表性菌株的DNA测序遗传分析，初步揭示了加拿大存在三个主要遗传类群。第一类群所有菌株具有相同的两种交配型等位基因组合，第二类群则具有另一种等位基因组合，而第三类群可进一步划分为八个不同的遗传亚群。此后，在不列颠哥伦比亚省又发现了第四个独特类群。为防治叶锈病，抗性基因Lr2a、Lr13、Lr14a、Lr16、Lr21和Lr34已被广泛用于加拿大春小麦品种。其中，Lr34、Lr46和Lr67尤为特殊，它们是非小种特异性抗性基因，对所有菌株均提供部分抗性，同时还兼抗其他小麦病害。至关重要的是，Lr34和Lr67还被证明能赋予对赤霉病（Fusarium head blight）的抗性。Lr34功能的完整机制尚未完全阐明，但仅有含Lr34^res的品系能积累抑菌化合物1-O-p-香豆酰-3-O-阿魏酰甘油（CFG）。Lr34还会引起叶尖坏死，此现象在低温下增强。将小种特异性叶锈病抗性基因与Lr34、Lr46和/或Lr67组合使用，最具潜力保护小麦免受加拿大动态变化的叶锈菌群体侵害。

Introduction

小麦是加拿大最大的作物，这一地位自100多年前西部产区扩大以来从未动摇。由Puccinia triticina引起的叶锈病是所有谷物锈病中最常见、分布最广的。它一直是加拿大乃至全世界最具破坏性的小麦病害之一。P. triticina的接种体以夏孢子的形式每年传入，可借助气流从墨西哥北部和美国的小麦产区远距离传播至加拿大。加拿大的小麦育种最初侧重于防治秆锈病（由Puccinia graminis Pers.引起），但在获得良好的秆锈病遗传抗性后，培育叶锈病抗性成为主要目标。自1990年代以来，由于与病害相关的霉菌毒素污染带来的健康问题以及最终使用品质的降级，赤霉病（FHB，在加拿大主要由Fusarium graminearum Schwabe引起）已成为加拿大小麦的首要病害。因此，新品种需要具有良好的FHB、秆锈病、叶锈病抗性，在加拿大西部还需抗普通腥黑穗病和条锈病。本综述分为两个主要部分：首先，为制定有效的遗传抗性策略以应对小麦叶锈病，分析并介绍了加拿大P. triticina群体在毒性和遗传多样性方面的演化历程；其次是抗性基因及其组合在加拿大小麦品种中的应用，以对抗小麦叶锈病和其他小麦病害的影响。

The Puccinia triticina population in Canada

为制定有效的遗传抗性策略对抗小麦叶锈病，自1930年代以来，一直对病原群体进行密切监测并分析其毒性谱。这一过程多年来不断改进和扩展：最初使用一套品种作为鉴别寄主，随后开发了一套以感叶锈病品种Thatcher为轮回亲本的近等基因系，之后这套Thatcher近等基因鉴别系进一步扩大。自1989年以来，加拿大和美国均采用一套标准的12个Thatcher近等基因鉴别系，并启用一个字母编码系统，用一个字母代表每个分离菌株在每套四个鉴别系上的无毒/毒性反应，从而产生一个三字母代码来表示在12个鉴别系上的反应。此后又扩展了一套四个Thatcher近等基因鉴别系，目前构成一套16个系和四字母代码。

为进行年度全国毒性分析，每个生长季节从加拿大各地小麦产区收集感染P. triticina的小麦叶片。从这些锈菌夏孢子样本中制备单孢子堆分离菌株， each 通过接种上述小麦鉴别系进行毒性分析。各地区发现的毒性表型谱逐年变化，但加拿大西部的群体与东部的群体有些不同，同时也有一些共同的毒性表型。对一些关键抗性基因的毒性频率也随时间变化，并在加拿大西部和东部之间出现分化。例如，近年来对Lr9、Lr17和Lr21的毒性频率增加，而对Lr2a、Lr2c和Lr16的毒性频率下降。

通过DNA测序分析这些年度毒性调查中代表性菌株的遗传亲缘关系，并比较它们的单核苷酸多态性（SNPs），将其与2018年至2020年的毒性谱相关联。在毒性方面，马尼托巴省和萨斯喀彻温省的样本相似，安大略省和魁北克省的样本也相似；然而，西部的样本与东部的样本不同。利用SNPs揭示的遗传相似性，系统发育分析将这些分离株分为三个分支（1、2和3）。分支1和2都是庞大且多样化的菌株群，在加拿大大部分地区都有发现，这些类群的菌株每年占发现的大部分。分支3也具多样性，但不如分支1和2常见，且仅存在于加拿大东部。这些分支在许多测试鉴别系上的毒性相对频率彼此不同。

对P. triticina交配型基因座的遗传分析表明，双核真菌细胞中的每个单倍体核具有不同的交配型等位基因，这与相关的锈菌物种Puccinia striiformis f.sp. tritici相似。因此，每个P. triticina分离株具有两个不同的交配型等位基因。每个P. triticina无性繁殖群具有至今在加拿大发现的六种交配型等位基因中两种的不同组合，而一个无性繁殖群内的所有分离株具有相同的两种交配型等位基因。加拿大两个最大的P. triticina群体是分支1+2。分支3实际上是几个较小群体的集合，同一群体的成员具有相同的交配型等位基因组合，并且在基因组和毒性谱上相似。随后从不列颠哥伦比亚省取样的分离株中揭示了一个独特的群体， all 具有与加拿大任何其他群体都不同的交配型等位基因组合。这些无性繁殖群在对某些抗性基因的毒性频率上存在显著差异，因此，这些群体主导地位的更替导致了对许多抗性基因毒性频率的变化。

Combating wheat leaf rust and other diseases using resistance genes

为应对叶锈病感染造成的损失，小麦育种家随时间推移将抗性基因导入小麦品种。已有81个命名的叶锈病抗性基因被定位到小麦染色体的特定位置。其中大多数是小种特异性抗性基因，仅对部分叶锈菌小种起抗病作用。然而，有一小部分非小种特异性抗性基因能抗所有叶锈菌小种，并能抗多种小麦病害。这些包括Lr34、Lr46和Lr67。它们都是成株抗性基因。加拿大小麦中最常见的抗性基因包括Lr2a、Lr13、Lr14a、Lr16、Lr21和Lr34。其中，Lr2a、Lr21和Lr34已被部署在目前加拿大超过50%小麦种植面积的品种中。加拿大病原群体已演化出对所有 these 基因的毒性， except Lr34。迄今为止，Lr46已在少数加拿大春小麦品种中部署，如Carberry。Lr67尚未部署。这两个基因对所有测试过的加拿大P. triticina分离株均有效。对Carberry抗性基因的分析表明，Lr34和Lr46与存在的其他抗性基因组合时表现出叠加抗性。

除了赋予非小种特异性、多病原抗性外，Lr34、Lr46和Lr67还与其他抗性基因以叠加方式相互作用。将含有Lr34或Lr67的Thatcher近等基因系（NILs）与含有Lr13、Lr16或Lr32的Thatcher NILs杂交，在Thatcher背景中创建了分离两个抗性基因的群体，其中一个基因是Lr34或Lr67。从这些杂交组合开发的双单倍体群体进行了基因分型以确定每个杂交组合中两个基因存在的等位基因，并在四年中测试了叶锈病抗性。Lr34与Lr13、Lr16和Lr32均存在正向相互作用，而Lr67与Lr16和Lr32存在显著正向相互作用，但与Lr13没有。这些非小种特异性基因与其他抗性基因相互作用的另一个例子记录在对品种Carberry叶锈病抗性的遗传分析中；其中Lr34和Lr46与Lr2a、Lr16、Lr13和Lr23以叠加方式相互作用，产生了该品种所具有的高水平叶锈病抗性。

为确定Lr34对秆锈病的影响，在苏麦3号背景中创建了二十对近等基因姊妹系。选择苏麦3号是因为当该遗传背景中的Lr34抗性等位基因被感病等位基因取代时，它对秆锈病高度感病。每对中一个姊妹在Lr34位点具有抗性等位基因，而另一个具有感病等位基因。在几乎所有系对中，在多年田间试验中测试时，具有Lr34位点抗性等位基因的姊妹系比具有感病Lr34等位基因的姊妹系秆锈严重度显著减轻。这些结果是导致Lr34被命名为秆锈病抗性基因Sr57的证据的一部分。

FHB是目前加拿大最重要的小麦病害。为确定Lr34和/或Lr67是否对FHB抗性有影响，对分离 either Lr34 or Lr67 的双单倍体群体进行了五年多点田间试验，测试了视觉FHB症状和脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）积累。两个Lr基因均与较低的DON积累显著相关，并且Lr67的存在还与植株上视觉FHB症状的显著减轻相关。

Lr34和Lr67都已被克隆。Lr34编码一个ABC转运蛋白，而Lr67是一个糖转运蛋白。大多数已克隆的锈病抗性基因是小种特异性基因，编码核苷酸结合位点-富含亮氨酸重复序列（NBS-LRR）基因，这是最大的植物抗性基因家族，通过识别真菌无毒效应子发挥作用。因此，Lr34和Lr67的功能都不同于这些其他抗性基因。在春小麦中，至今描述了Lr34的五种单倍型（H1-H5）。抗性等位基因H1在第11/12外显子的突变位点为null/C，而感病单倍型H2-H4在这些外显子均为TTC/T。在分析的700份材料中，仅两份材料中发现了一种罕见的null/T单倍型，这两份材料都具有中间型的叶锈病抗性表型。将 each 这些材料与Thatcher和Thatcher-Lr34杂交，并在田间试验中分析后代的叶锈病抗性。该分析揭示，第11和第12外显子的突变都对减轻叶锈病严重度有显著影响，并且它们彼此之间具有叠加效应。

Lr34转运的底物之一是脱落酸（ABA），ABA在叶尖的积累导致叶尖坏死，这是Lr34的多效效应。ABA积累如何参与Lr34的抗病性尚不清楚，因为它在植物中既可以作为抗病性的增强子，也可以作为抑制子。生化分析表明，具有Lr34抗性等位基因的近等基因系积累了一种苯丙烷二甘油酯，被鉴定为1-O-p-香豆酰-3-O-阿魏酰甘油（CFG），但具有感病等位基因的系则没有。CFG对P. triticina和F. graminearum都具有抗真菌特性。此外，其在植物中的分解产物比CFG更具杀菌性。CFG还在病原菌感染时被分解，释放出这些更强效的成分。这表明CFG可能作为其更强效代谢物的储存形式，在防御反应过程中，由于CFG的分解而被植物利用。

叶尖坏死这一多效效应在具有Lr34抗性等位基因的成株旗上是明显的。如果在低温（8–10?°C）下生长，在实生苗上也可以观察到叶尖坏死以及叶锈病抗性。当这种低温期延长至抽穗期时，具有抗性Lr34等位基因的植株叶尖坏死可能非常广泛，并且一些穗子不育。在正常温度下，在转基因Lr34^res大麦植株中也观察到了类似的广泛叶尖坏死效应。这些研究表明，虽然Lr34赋予了优异的持久多抗性，但在某些情况下也可能存在一些权衡。

Summary

将Lr抗性基因导入小麦品种对降低感病性和应对加拿大这一动态变化的锈菌群体产生了显著效果。当将45个从1870年到2001年发布的加拿大历史小麦品种一起种植在田间时，由于随时间推移引入了叶锈病抗性基因，较现代的品种通常表现出较低的叶锈病严重度。当前的品种通常具有多个抗性基因的组合，例如Carberry，其中Lr34和Lr46与 both 小种特异性和非小种特异性Lr抗性基因以协同方式相互作用。为维持和改进这种高水平的病害抗性，应将多抗性基因Lr34、Lr46和Lr67与其他有效的小种特异性抗性基因结合使用。持续监测病原群体将能够选择最有效的抗性基因，并跟踪这一不断变化的病原体在大陆尺度上的演化。

Acknowledgements

感谢许多提供出色技术协助的人员。