多年生黑麦草秆锈病抗性的遗传结构解析——基于全基因组关联分析和双亲QTL定位的研究

《BMC Plant Biology》：Genetic architecture of stem rust (Puccinia graminis Pers.) resistance in perennial ryegrass (Lolium perenne L.) revealed by GWAS and QTL mapping

　　

摘要

背景

由禾柄锈菌（Puccinia graminis, Pg）引起的秆锈病是多年生黑麦草（Lolium perenne L.）中的一种主要生物胁迫，可导致严重的种子产量损失。随着对杀菌剂使用的限制日益增加，开发具有持久抗性的品种对于可持续病害管理至关重要。然而，多年生黑麦草对Pg抗性的遗传基础仍然知之甚少。

结果

为了鉴定用于探索多年生黑麦草秆锈病抗性的代表性菌株，利用SSR标记研究了不同Pg菌株的基因型多样性，揭示了三个主要的系统发育类群。在包含390个L. perenne基因型的多样性群体以及由该多样性群体中四个基因型衍生的两个双亲F?群体（各216个个体）中，对秆锈病抗性变异进行了研究。在受控条件下，使用代表三个系统发育类群的Pg菌株进行了秆锈病抗性表型鉴定，同时在田间自然感染条件下也进行了表型鉴定。对多样性群体进行了全基因组关联研究（GWAS），以解析参与秆锈病抗性的常见变异，同时在两个F?群体中进行了数量性状位点（QTL）定位，以鉴定GWAS未能检测到的潜在稀有变异。GWAS鉴定了三个基因组区域，其QTL合计解释了9.5–18.6%的观测表型变异，候选基因包括一个丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。QTL定位鉴定了五个与欧洲秆锈病菌株抗性相关的基因组区域，其QTL合计解释了58.3–64.3%的表型方差。两个定位群体中共享的候选基因编码一个糖转运蛋白、一个脂质结合蛋白、核苷酸结合位点和亮氨酸富集重复蛋白的组分、一个逆转录酶以及一个2S种子贮藏蛋白5类似蛋白。

结论

通过整合GWAS和双亲QTL定位，本研究为多年生黑麦草秆锈病抗性的遗传结构提供了新的见解。我们的结果表明，双亲QTL定位通过鉴定本会被遗漏的稀有抗性变异，补充了GWAS。从育种角度来看，这些基因组区域和有利单倍型是用于标记辅助选择和基因组选择的宝贵资源，可加速开发具有秆锈病抗性的多年生黑麦草品种。