《Theoretical and Applied Genetics》：Stem rust resistance in North American spring wheat to Ug99 and other virulent pathotypes of Puccinia graminis f. sp. tritici
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关键信息：北美春小麦对一组多样化的外来小麦秆锈菌（Pgt）生理小种表现出有限的苗期抗性，但蕴藏着宝贵的田间抗性，包括位于7AL染色体上的一个强效田间抗性位点。摘要：Ug99及其他对广泛部署的抗性基因具有毒性的小麦秆锈菌（Puccinia graminis f.
关键信息：北美春小麦对一组多样化的外来小麦秆锈菌（Pgt）生理小种表现出有限的苗期抗性，但蕴藏着宝贵的田间抗性，包括位于7AL染色体上的一个强效田间抗性位点。摘要：Ug99及其他对广泛部署的抗性基因具有毒性的小麦秆锈菌（Puccinia graminis f. sp. tritici，Pgt）生理小种的出现与扩散，威胁着全球小麦生产。本研究评估了北美春小麦种质对四个Pgt生理小种（TTKSK、TTKSF+、TKTTF和TRTTF）的苗期反应，以及在埃塞俄比亚和肯尼亚五个环境下的田间反应。苗期评估揭示了显著的生理小种特异性变异，其中82%的材料对TKTTF小种表现抗性，但对其他小种的抗性非常有限。基于抗性模式的基因推导表明，该群体中Sr7a的频率很高（约92%），仅有少数材料（约5%）携带Sr8a、Sr11和/或Sr31。在埃塞俄比亚和肯尼亚的田间评估显示了田间反应的定量变异，若干材料表现出一致的田间抗性。关联定位鉴定出37个与苗期抗性显著相关的关联位点，代表17个独特的基因组区域。对于田间反应，检测到15个显著关联，其中包括一个在7AL染色体臂上的区域，该区域在所有环境中均被一致检测到。进一步分析表明，该位点赋予成株期抗性（APR），并且可能独立于该区域已知的秆锈抗性基因。因此，研究人员开发了一个KASP标记，以实现对该位点的标记辅助选择和深入研究。本研究突显了针对外来Pgt生理小种有限的苗期抗性，但鉴定了有前景的田间抗性来源，并为北美种质中苗期和田间反应背后的遗传学提供了宝贵见解。
一、研究背景与科学问题
小麦秆锈病由真菌小麦秆锈菌（Puccinia graminis f. sp. tritici，Pgt）引起，历史上是全球小麦主产区最具破坏性的病害之一，曾导致重大产量损失。利用寄主介导的遗传抗性是管理秆锈病最有效和可持续的策略之一。寄主抗性通常分为全生育期抗性（All-stage resistance，ASR）和成株期抗性（Adult-plant resistance，APR）。ASR通常在苗期表达，由小种特异性的主效基因（Sr基因）以基因对基因的方式发挥作用；而APR通常在孕穗期开始表达，效应多为低至中等水平，但通常对小种谱系更广且被认为更持久。
Ug99小种群及其他强毒力Pgt生理小种的出现和扩散，构成了全球小麦生产的重大威胁。这些外来小种能够克服许多广泛部署的抗性基因。先前的研究表明，北美春小麦种质对Ug99等小种的抗性频率很低，这凸显了对这些外来小种进行全面抗性鉴定，以发掘新基因和数量性状位点（Quantitative trait loci，QTL）的必要性。因此，本研究旨在利用一个多样化的育种系群体，对Ug99及其他强毒力Pgt小种的苗期和田间抗性进行表型鉴定，并结合全基因组关联分析（Genome-wide association study，GWAS）来鉴定新的抗性来源。
二、主要关键技术方法
研究人员采用明尼苏达大学春小麦育种项目的一个包含383份硬红春小麦（Hard red spring，HRS）基因型的群体（MN-WGS群体）进行研究。苗期评估使用了四个强毒力Pgt生理小种（TTKSK、TTKSF+、TKTTF和TRTTF）进行接种。田间评估在埃塞俄比亚德布雷塞特（2016、2017、2018年）和肯尼亚恩乔罗（2016、2017年）共五个环境下进行。基因分型使用90K Illumina Infinium iSelect芯片，最终获得13,846个单核苷酸多态性（Single-nucleotide polymorphism，SNP）标记。关联分析采用固定和随机模型循环概率统一（Fixed and random model Circulating Probability Unification，FarmCPU）方法进行标记-性状关联分析。
三、研究结果
1. 苗期抗性评估
苗期侵染型（Infection type，IT）测定显示，不同Pgt小种的毒力存在差异，其中TKTTF毒力最弱，TTKSK毒力最强。对TKTTF小种，82%的材料表现为抗性；而对TRTTF、TTKSF+和TTKSK小种，分别约有88%、94%和97%的材料表现为感病。这表明该群体对外来强毒力小种的苗期抗性普遍有限。此外，有5份材料对所有四个小种均表现出高度抗性。
2. 基因推导
基于小种特异性抗性模式的基因推导发现，Sr7a是该群体中最常见的ASR基因，存在于约92%（354份）的材料中。其他如Sr8a、Sr11和Sr31基因的出现频率较低（各约5%）。Sr31的存在通过1BL.1RS易位的KASP标记得到了验证。
3. 田间抗性评估
田间反应（以感染系数Coefficient of Infection，COI表示）在五个环境中表现出显著变异。研究人员鉴定出至少14份材料在多个环境中表现出一致的低COI值，即稳定的田间抗性。
4. 苗期抗性的遗传定位
GWAS共鉴定出37个显著关联，代表17个独特的基因组区域，分布于1B、3B、3D、4A、5B、5D、6A、6B和7B染色体。例如，对TKTTF小种，在4AL和6BL染色体上发现了强关联位点；对TRTTF小种，最显著的关联位于6AS染色体；对TTKSF+小种，大部分关联集中在1BS染色体短臂上。
5. 田间抗性的遗传定位
GWAS共鉴定出15个显著关联，分布在1B、2B、2D、3B、7A和7B染色体上。其中，一个位于7AL染色体长臂（约712.1-719.6 Mbp区间）的区域在四个环境中被一致检测到。进一步的等位基因效应分析证实，该区域的SNP（特别是Tdurum_contig12454_585）在不同环境中均显示出显著的抗性效应差异，表明这是一个强效的APR位点，且可能独立于该区域已知的Sr基因。
6. KASP标记开发
基于在七个环境中均表现显著的SNP标记Tdurum_contig12454_585，研究人员成功开发了一个KASP标记，用于对该7AL位点进行标记辅助选择。技术验证显示该标记与原始芯片数据的一致性高达99%。
四、讨论与结论
本研究的讨论部分指出，北美春小麦种质对Ug99等外来强毒力Pgt小种的苗期抗性普遍较低，这与前人研究结果一致。高频率的Sr7a解释了为何多数材料对TKTTF小种表现抗性，因为该小种对Sr7a无毒力。然而，这种对小种TKTTF的抗性并不能推广至对其他小种（尤其是TTKSK）的抗性。
尽管苗期抗性有限，但田间评估揭示了有价值的APR资源。特别是位于7AL染色体上的一个稳定检测到的APR位点，为培育更持久的抗性品种提供了新靶点。该位点可能独立于已知的Sr基因，暗示其可能是一个新的抗性基因/QTL。
研究结论总结如下：本研究突显了北美春小麦种质对外来Pgt小种有限的苗期抗性，但鉴定了有前景的田间抗性来源，包括在7AL染色体上发现的一个强效且稳定的APR位点。基于此开发的KASP标记将有助于通过标记辅助选择加速该抗性位点在育种中的应用。该研究为理解北美种质中苗期和田间抗性的遗传基础提供了宝贵见解。
