利用标记辅助回交育种技术将白锈病抗性导入印度芥菜（Brassica juncea）品种中

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Marker-assisted backcross breeding for introgression of white rust resistance in Indian mustard (Brassica juncea) cultivar

　　

莫妮卡|维杰·维尔·辛格|安贾娜·戈埃尔|伊班达林·莫隆|比沙尔·古伦

ICAR - 印度油菜芥菜研究所，巴拉特普尔，拉贾斯坦邦，321303，印度

摘要

由专性生物寄生菌Albugo candida引起的白锈病是导致所有芥菜种植区产量大幅下降的主要生物限制因素。为了解决这一问题，本研究旨在通过标记辅助回交育种将抗白锈基因引入优良印度芥菜（Brassica juncea）品种‘NRCDR-601’的遗传背景中，以培育出抗白锈的品系。在BC₁F₁和BC₂F₁后代中，使用特定性状的标记进行前期选择，在166个和346个后代中分别检测到89个和166个目标基因。每一代中都选择了与重复亲本最相似的阳性基因植株进行回交。此外，使用特定性状的标记在高级回交育种材料（BC₂F₂）中确认了抗性基因的存在。通过73个多态性SSR标记进行背景选择，确定了携带86.98–93.83%重复亲本基因组的22个BC₂F_2:3品系。统计分析表明，引入的品系与重复亲本之间的相似性很高，大多数性状没有显著差异，并且表现出强烈的抗白锈能力，病害发生率低于10%。UPGMA和热图分析将所有选定的引入基因型和重复亲本聚类在一起，而供体亲本则位于另一个簇中。农艺性状的主成分分析（PCA）显示，前四个主成分（特征值>1）解释了79.79%的累积变异，其中PC1和PC2共同解释了55.41%，从而有效区分了亲本和选定的引入品系。因此，本研究清楚地展示了利用标记辅助回交育种快速有效地引入抗白锈基因的方法。这些引入基因的品系可以进一步改良，并用于初步的品种试验，也可以作为未来印度芥菜育种计划的预育种材料。

引言

印度芥菜（Brassica juncea L. Czern & Coss.）是印度油料作物的支柱，占油菜芥菜总面积（918万公顷）、产量（1326万吨）和生产力（14.44公斤/公顷）的近90%[1]。它对多种农业气候区的适应性很强，生长周期短，因此受到农民的青睐，尤其是在北部和中部印度，它在确保食用油安全和增强农村生计方面发挥着关键作用[2]。然而，其生产力一直受到多种生物胁迫的阻碍，其中最严重的是由专性生物寄生菌Albugo candida引起的白锈病[[3], [4], [5]]。这种疾病对印度农民来说是一个严重威胁，不仅导致产量大幅下降，还会降低油质并削弱植株活力，从而成为可持续芥菜种植的主要障碍[[6], [7], [8]]。因此，在气候变异性和全球变暖的背景下，提高优良芥菜品种的抗性变得至关重要，以便在日益激烈的国际市场中保持产量稳定性和生产力[3]。

白锈病的症状表现为叶片、茎和花序上出现白色脓疱，常常导致花朵畸形。与东欧的B. juncea基因库不同，印度的基因库对A. candida非常敏感，在有利的环境条件下，产量损失范围从10%到超过70%，有时甚至高达90%[6,[9], [10], [11]]。虽然有杀菌剂可用，但它们既不环保也不经济实惠，因此依赖杀菌剂不仅会损害生态系统，还会导致病原体抗性的出现[5]。因此，培育具有遗传抗性的品种是更可持续和经济有效的疾病管理方案[7,12]。近年来，在识别和表征抗性（R）基因方面取得了显著进展，这大大推进了旨在培育抗白锈芥菜品种的育种策略。迄今为止，已在各种十字花科植物中鉴定出24个Albugo candida菌株。作为回应，在Brassica juncea中报道了多个抗性基因/位点，包括Acr、AC-21、AC-2、ACB1-A4.1、ACB1-A5.1、BjuWRR1和BjuWRR2/BjuA046215[43综述]。早期的图谱研究表明，两种东欧品系（Heera和Donskaja-IV）对A. candida（race2V）的抗性由两个独立位点控制。值得注意的是，参考文献[13]已经鉴定并报道了与这些位点紧密相关的标记，为抗性育种提供了宝贵资源。

传统的育种方法培育出了多种抗白锈的印度芥菜品种，但像连锁拖累这样的挑战常常会引入不希望出现的性状，从而降低了改良品系的农艺价值。此外，新的、更具毒力的Albugo candida菌株迅速出现，可能在品种发布后的3-4年内破坏抗性[7,14]。因此，近年来标记辅助回交育种（MABB）作为一种强大的策略应运而生，它将分子工具与传统育种相结合，实现了理想性状的精确高效转移[5]。尽管这种方法已被用于提高对多种生物胁迫（如链格孢病、茎腐病、白粉病、黑胫病）的芥菜品种的抗性，但尽管有稳定的供体来源，针对抗白锈的改良工作仍然有限[[15], [16], [17], [18], [19]]。通过使用与抗性基因相关的DNA标记，育种者可以在早期发育阶段准确选择携带目标等位基因的后代，从而节省时间和资源，同时确保恢复重复亲本的基因组。近年来，在鉴定和验证与Brassica物种中抗白锈位点紧密相关的分子标记方面取得了显著进展[4,[20], [21], [22], [23]]。这些标记为从野生或外来供体引入抗性基因到优良印度芥菜背景中开辟了新的途径。

尽管已经开发出抗白锈的供体和一些Brassica juncea基因型，但由于它们的产量潜力较低且对多种农业生态条件的适应性不足，直接利用受到限制[5,24]。依赖少数抗性品种会增加抗性失效时大面积作物损失的可能性，因为局限于狭窄遗传背景的抗性在多变的环境和不断进化的病原体种群下容易受到攻击，因此需要在多个优良品种中部署抗性，以确保更大的耐久性和适应性。目前还没有关于将抗性引入易感白锈的印度芥菜品种NRCDR-601的报道。在这方面，本研究通过标记辅助回交育种方法，解决了这一关键的育种空白，将BioYSR来源的抗性引入NRCDR-601。这项研究的新颖之处不仅在于将抗性引入以前未利用的优良背景，还在于培育出遗传上不同的引入品系，从而扩大了抗性的遗传基础，并为未来的印度芥菜育种计划提供了宝贵的预育种材料。

章节片段

植物材料和育种策略

本研究旨在通过MABB将BioYSR中的抗白锈位点引入NRCDR-601。NRCDR-601（NBPGR 272/RK 9903）是一种优良的印度芥菜品种（2010年为II区的适时播种灌溉条件发布），具有高产量潜力和理想的农艺性状，但易受白锈病的影响。BioYSR（Clipper/BH75/BK0019）是一种本土的抗白锈体克隆，携带AcB-A5.1位点的抗性基因[24]，用作供体亲本

使用SSR标记验证特定性状的IP标记和鉴定亲本多态性

与目标抗白锈位点AcB1-A5.1相关的特定性状IP标记（At2g36360）在抗白锈供体亲本（BioYSR）中扩增出850 bp的条带，而在易感白锈的重复亲本（NRCDR-601）中观察到800 bp的条带大小。这种重复亲本和供体亲本之间的明显多态性证实了标记的有效性，并证明了其在NRCDR-601 × BioYSR杂交后代中追踪目标位点的适用性。

讨论

许多高产且受消费者欢迎的芥菜品种由于易受生物胁迫的影响而未能获得农民的认可，导致产量大幅下降和生产成本增加。在印度，大多数商业种植的芥菜品种仍然极易受到白锈病的影响，尤其是在有利于病原体繁殖和疾病发展的环境条件下，产量减少更为显著。因此，策略性

结论

本研究成功地将BioYSR中的抗白锈基因引入NRCDR-601，并通过MABC方法恢复了NRCDR-601的基因组。通过将分子标记辅助选择与表型评估相结合，该方法实现了所需基因的精确转移，同时保留了重复亲本的基因组。本研究取得的成功也突显了这种方法的优势，包括缩短育种时间、降低成本和提高精度

伦理声明

实验遵守了进行实验所在国家的现行法律。

资助

我们衷心感谢ICAR-IIRMR（拉贾斯坦邦巴拉特普尔）的主任对研究的支持以及为进行研究提供的所有设施。

CRediT作者贡献声明

莫妮卡：数据管理、方法论、软件、验证、可视化、写作——初稿。维杰·维尔·辛格：概念构思、数据管理、调查、方法论、监督、写作——审阅与编辑。安贾娜·戈埃尔：监督、写作——审阅与编辑。伊班达林·莫隆：数据管理、正式分析、监督、写作——审阅与编辑。比沙尔·古伦：数据管理、软件、监督、写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢ICAR-印度油菜芥菜研究所（拉贾斯坦邦巴拉特普尔）的主任为这项研究提供资金支持。