《Plants》：Integrating Phenotypic and Genotypic Approaches to Select Rust- and Common Bunt-Resistant Advanced Winter Wheat Breeding Lines
Gaziza Zhumaliyeva,
Bakyt Ainebekova,
Tamara Bazylova,
Assel Jenisbayeva,
Ayazhan Kosshybay,
Saltanat Dubekova and
Raushan Yerzhebayeva
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为解决小麦锈病和普通黑穗病严重影响产量的问题，研究人员结合表型筛选和分子标记辅助选择（MAS），对156个冬小麦育种系进行抗性评价。鉴定出多个抗性等位基因的携带品系，其中品系9909对两种锈病和黑穗病均表现出高抗，为培育高产抗病品种提供了宝贵种质资源。
小麦是全球最重要的粮食作物之一，也是许多地区的主食。但在主要小麦产区，锈病和普通黑穗病等真菌病害时常肆虐，尤其是在气候条件有利于病原体发展的年份，加之抗病品种使用有限，导致小麦生产力严重下降。在中亚地区，包括哈萨克斯坦在内，这些病害尤为严重，锈病平均每3-4年就爆发一次，造成重大产量损失。普通黑穗病则导致谷物品质下降，严重时减产可达20-50%。然而，目前市场上注册的小麦品种绝大多数仍然易感，抗病品种比例极低。面对这些挑战，传统的育种方法进展缓慢，亟需更高效、精准的策略来加速抗病品种的选育。
本研究在哈萨克斯坦农业与植物种植研究所（KRIAPG）展开，旨在整合表型筛选和分子标记辅助选择（Marker-Assisted Selection, MAS），从156个冬小麦高级育种系中，鉴定出对条锈病（黄锈病）、叶锈病和普通黑穗病具有优良抗性的品系，为培育具有持久、复合抗性的小麦品种奠定基础。相关研究成果已发表在期刊《Plants》上。
研究者们主要运用了三种关键技术方法。首先，在专门的人工感染病圃中进行田间表型评价，连续多个生长季评估病害严重度（DS）和侵染类型（IT）。其次，利用分子标记技术（包括SSR和SCAR标记）对多个抗锈病基因（如Yr5、Yr10、Lr9、Lr34/Yr18/Sr57、Lr37/Yr17/Sr38）和抗黑穗病基因（如Bt8、Bt9、Bt10、Bt11、Bt12）进行基因分型。最后，运用统计学方法（曼-惠特尼U检验和卡方检验）分析分子标记与表型抗性之间的关联。
2. 结果
2.1. 成年植物抗性的田间评价
在人工创建的高压感染背景下，研究者对三种病害进行了评价。
2.1.1. 条锈病：在易感标准品种上，病害严重度（DS）达到60-100%，表明感染压力足够。在156个育种系中，鉴定出15个抗性（R）基因型，其中1个基因型（9909）无任何症状，被归类为免疫。
2.1.2. 叶锈病：多数基因型表现为中感（MS）或感病（S）。仅有2个基因型表现为抗性（R），DS不超过1-5%。
2.1.3. 普通黑穗病：在易感标准品种上DS为70-90%。研究发现了12个基因型表现为极抗（VR，DS为0%），3个为抗性（R，DS 1-5%）。
2.2. 锈病抗性基因的基因分型
2.2.1. 条锈病抗性基因：利用DNA标记检测了Yr5、Yr10和Yr15基因。在研究的材料中，分别鉴定出58个、1个携带Yr5和Yr10抗性等位基因的品系。然而，用于检测Yr15的两个标记结果不一致，因此认为在研究材料中缺乏可靠的Yr15携带者。
2.2.2. 叶锈病抗性基因及多效性锈病抗性位点：检测了Lr9、Lr34/Yr18/Sr57和Lr37/Yr17/Sr38基因。分别有6个、80个和40个育种系携带这些抗性等位基因。
2.3. 普通黑穗病抗性基因的基因分型
利用分子标记对Bt8、Bt9、Bt10、Bt11和Bt12基因进行检测。Bt9、Bt11和Bt12的检出频率较高，分别为78.3%、90%和64%。
2.4. 自然田间条件下的种子产量评价
在自然田间条件下评估了育种系的产量。一些高级育种系的产量超过了标准品种平均产量（4.8吨/公顷）的10-15%。
2.5. 病害抗性表型与基因分型数据的比较
将分子标记数据与表型抗性进行关联分析，以确定所研究育种系的实用农学价值。
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选出了5个对条锈病高抗（0I–5R）且携带2-3个抗性等位基因的育种系。
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选出了2个对叶锈病表现为中抗（10MR）且携带多个抗锈病等位基因的育种系。
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选出了14个对普通黑穗病高抗（DS ≤ 10%）且携带3-5个抗性等位基因的育种系。
值得注意的是，鉴定出两个独特的冬小麦品系9909和9910，它们结合了多个抗性等位基因，并对条锈病和普通黑穗病表现出抗性，同时具有高生产力。
统计检验（曼-惠特尼U检验）显示，仅携带Lr9、Lr37/Yr17和Bt9相关标记的品系，其病害严重度（DS）显著低于不携带这些标记的品系。然而，卡方检验表明，在本研究材料中，抗性等位基因的组合与基于侵染类型（IT）的表型抗性类别之间没有显著的统计学关联。
3. 讨论与结论
本研究成功整合了表型评估和分子标记辅助选择（MAS），对156个冬小麦高级育种系进行了综合评价。通过人工感染病圃的严格筛选，鉴定出少量对条锈病、叶锈病和普通黑穗病具有稳定田间抗性的基因型。分子分型揭示了抗性等位基因在育种材料中的分布情况，其中Yr5、Lr34/Yr18和多个Bt基因的携带频率较高。
通过对比分析，研究者成功筛选出数个极具潜力的育种系。特别是品系9909，它同时携带Lr37/Yr17、Lr34/Yr18、Bt9、Bt11和Bt12等多个抗性等位基因，在人工感染条件下对条锈病免疫（0I），对叶锈病中抗（10MR），并对普通黑穗病极抗（VR）。品系9910和D305也表现出优异的抗病性和产量潜力。这些品系代表了培育高产、多抗小麦品种的宝贵种质资源。
统计分析指出，在本研究特定的遗传材料和环境条件下，仅Lr9、Lr37/Yr17和Bt9标记与降低的病害严重度显著相关。这强调了抗性表达是基因型与环境（GxE）复杂互作的结果，也揭示了分子标记在实际应用中的局限性——标记的存在并不总是能直接转化为田间抗性。尤其是在病原体群体变异大、环境因素多变的地区，如哈萨克斯坦南部和东南部，抗病基因的有效性可能受到病原菌毒性结构、温度等环境因素的显著影响。
因此，研究结论强调，在类似哈萨克斯坦这样病原菌多样性高的地区，最有效的育种策略是整合分子标记辅助选择与必须的人工感染条件下的表型评价。这种方法既能早期、高通量地筛选潜在抗源，又能最终确认其在真实田间压力下的抗性表现，从而加速培育出具有持久和复合抗性的小麦新品种，为保障区域乃至全球的粮食安全与农业可持续发展提供有力支持。
