《Frontiers in Plant Science》：Unlocking the genetic potential of Triticum urartu for wheat improvement: a review
摘要：
普通小麦（Triticum aestivum L.）狭窄的遗传基础仍是其遗传改良的重要限制因素，尤其在应对当前及未来生产挑战方面。扩大小麦遗传基础对于突破产量平台期并满足全球不断增长人口的粮食需求至关重要。小麦的野生近缘种和祖先种群蕴藏着丰富但尚未充分利用的遗传多样性，可用于作物改良。其中，Triticum urartu作为面包小麦和硬粒小麦的A基因组供体，可能是与生物胁迫和非生物胁迫耐受性以及籽粒品质相关性状的重要遗传资源。本综述总结了当前关于T. urartu作为主要小麦病害抗源的研究进展，包括白粉病、秆锈病（尤其是高毒力小种Ug99）、叶锈病和条锈病。此外，还讨论了T. urartu作为抗旱、耐热、增强光合性状以及品质相关性状供体的潜力。进一步强调了T. urartu染色体成功导入二倍体、四倍体和六倍体小麦背景的研究，表明其可在多倍体水平上实现遗传兼容。加倍单倍体（DH）技术的进步近期加快了纯合化小麦—T. urartu渐渗系的构建，从而促进了性状快速固定和高效种质开发。分子标记技术的应用，包括基于单核苷酸多态性（SNP）的竞争性等位基因特异性PCR（KASP）检测，进一步提升了T. urartu遗传多样性的表征以及渐渗系的精准追踪。公共数据库中经验证SNP数据集的不断增加，以及可扩展的高通量和中通量基因分型平台的开发，正在进一步加速小麦—T. urartu渐渗育种计划。
1 Introduction
小麦是全球最重要的粮食作物之一，六倍体普通小麦（Triticum aestivum ssp. vulgare）与四倍体硬粒小麦（Triticum turgidum ssp. durum）是主要栽培类型。六倍体小麦由AA、BB和DD三个亚基因组组成，其中A基因组来源于二倍体T. urartu（AuAu）。驯化与多倍化过程导致栽培小麦相较于其祖先种和野生近缘种遗传多样性明显丧失，限制了后续育种改良，并增加了对生物和非生物胁迫的易感性。在部分地区，小麦条锈病和秆锈病可造成极高产量损失，且约九成小麦品种对新出现的高毒力秆锈病小种表现感病，进一步威胁全球粮食安全。T. urartu虽未被充分利用，却具有多种农艺上重要的优良性状，可用于扩大小麦遗传基础。随着植物遗传学与基因组学的发展，小麦祖先种和野生近缘种的预育种研究显著加快，外源基因组向栽培小麦的导入效率不断提高。本文综述T. urartu农艺性状与品质性状的鉴定及利用进展，并讨论其渐渗系的表征技术。
2 General description of Triticum urartu
Triticum urartu Thum. ex Gandil.（2n = 2x = 14；基因组AuAu），又称红色野生一粒小麦，是禾本科（Poaceae）一年生野生二倍体物种，原产于肥沃新月地区。该物种被公认为栽培小麦最重要的野生近缘种之一，贡献了现代六倍体和四倍体小麦的A基因组。基于AFLP标记对采自肥沃新月地区的200份T. urartu材料分析表明，其遗传多样性中心位于该区域北部，尤其是叙利亚—土耳其边境附近。早期研究曾将T. urartu误认为是栽培小麦的B基因组供体，后续通过减数分裂中A、B端着丝粒染色体配对行为以及重复序列多态性分析，最终确认其为普通小麦A基因组的直接供体。分子系统发育证据也支持这一结论，并提示参与第一次异源多倍化的祖先类型与T. urartu极为相似，但在约130万年前已发生分化。全球代表性材料的高质量SNP测序结果进一步指出，现代小麦A亚基因组的直接供体可能起源于叙利亚西北部。T. urartu基因组大小约为4.94 Gb。形态上，该物种具小花药、颖片第二齿显著、两芒颖小穗、叶片具短柔毛且籽粒呈红色。
3 Important traits identified in T. urartu accessions
3.1 Disease resistant traits
抗病性是育种中的核心目标性状之一，对作物产量稳定性具有决定性意义。T. urartu已被证明是多种小麦重要病害抗性的供体，涵盖白粉病、秆锈病、叶锈病、条锈病以及根部线虫危害等。现有研究表明，其抗性与一系列免疫受体、抗性基因类似物（RGA）及相关转录调控因子有关，具有较高的育种利用价值。
3.1.1 Wheat powdery mildew resistance in T. urartu
白粉病是重要的叶部真菌病害，可造成较大产量损失。通过抗白粉病（Pm）基因进行遗传防控是更经济有效的策略。T. urartu中已鉴定出重要的抗白粉病位点Pm60，该位点编码核苷酸结合-富亮氨酸重复（NB-LRR）免疫受体，能够触发超敏反应（HR）型程序性细胞死亡。随后又鉴定到其等位变异Pm60a和Pm60b，显示出功能保守性与等位多样性并存。三种功能等位变体均可赋予对白粉病菌（Blumeria graminis f. sp. tritici）BgtE09小种的抗性，但Pm60a对部分菌株的抗谱较窄，可能与其LRR基序缺失有关。另在感病材料中发现与Pm60a相似但不具功能的Pm60a″等位基因，其序列虽与Pm60a高度相似，但若干单核苷酸变异（SNP）和三核苷酸缺失可能导致抗性丧失。全基因组研究还揭示了T. urartu中大量含NBS结构域的抗性基因分布于全部7条染色体，其中7A染色体富集程度最高；部分基因在白粉病侵染后显著差异表达，提示其参与早期防御反应。对7AuL染色体上PmU区段的抗性基因类似物分析进一步表明，Pm60在携带PmU的材料中受到特异表达，并与抗性表型显著相关。
3.1.2 Wheat stem, leaf and stripe rusts
小麦锈病是全球最重要的生产限制因素之一。T. urartu已被鉴定为秆锈病、叶锈病和条锈病的重要抗源。对205份T. urartu材料筛选发现，约95%对高毒力秆锈病小种TTKSK（Ug99）具有抗性，同时对QFCSC和MCCFC等小种也表现出抗性，说明其具有广谱抗秆锈病潜力。叶锈病抗性亦已在少数材料的幼苗期和成株期获得确认。条锈病方面，早期研究即已有报道，后续对中国主要条锈病小种CYR33和CYR32的鉴定表明，不少材料对两者均具抗性，其中少数材料表现高度抗性，多数为中度抗性。分子层面上，已从T. urartu材料中克隆条锈病抗性基因YrU1，其编码一种含ankyrin重复与WRKY结构域的复合型NLR蛋白，属于较特殊的ANK-NLR-WRKY-NLR类型。转录组与表达分析显示，NAC转录因子TuNAC69参与该抗性通路；同时还鉴定到LRR受体样激酶TuRLK1，可能参与YrU1介导的免疫反应。
3.1.3 Root lesions
T. urartu还表现出对根腐线虫（Pratylenchus thornei）的抗性潜力。该线虫为迁移性内寄生线虫，可在感病小麦中造成显著产量损失，并破坏根系、降低吸水吸肥能力。对T. urartu种质的筛选显示，21份材料中有5份具有抗性，其中3份抗性高于部分抗性对照，说明其在根部病害抗性改良中具有潜在应用价值。
3.2 Quality traits
T. urartu不仅具有抗逆抗病潜力，还携带与面粉加工品质、营养品质及淀粉合成有关的重要等位变异。相关研究主要集中于贮藏蛋白、籽粒淀粉合成以及微量元素富集等方面。
3.2.1 Endosperm storage protein
在小麦中，烘焙品质主要由胚乳贮藏蛋白决定，主要包括麦谷蛋白和醇溶蛋白。麦谷蛋白决定面团弹性，醇溶蛋白影响延展性和营养品质。相关基因位点主要位于1号染色体群。T. urartu中已通过基因预测、PCR克隆和等位特异性标记鉴定出多种麦谷蛋白和醇溶蛋白等位变体。来自肥沃新月地区的材料中，土耳其来源T. urartu的HMW-GS多样性高于黎巴嫩和叙利亚来源。研究发现，T. urartu的Glu-A1位点存在活化的y型高分子量麦谷蛋白基因，且其表达产物与参考品种中的1Dy12蛋白迁移行为相近。由于普通六倍体小麦Glu-A1位点的y基因通常沉默，T. urartu中该活性等位基因对提升加工品质具有重要意义。其1Ay基因亦已被完整克隆并证实为表达型，且T. urartu材料中HMW-GS模式极为丰富。与此同时，T. urartu在Glu-A3位点的低分子量麦谷蛋白（LMW-GS）i型、m型和s型等位变异也表现出较高多样性，并已鉴定出多个与普通小麦不同的新等位基因，为改善终端利用品质提供了遗传基础。
3.2.2 Starch synthesis
T. urartu的Wx（waxy protein）基因变异具有较高的育种价值。研究者在该物种中鉴定出多个新的Wx等位基因，包括Wx-Au1b、Wx-Au1c、Wx-Au1d和Wx-Au1e。Wx蛋白参与直链淀粉积累与淀粉颗粒合成。进一步研究还发现，位于群组2短臂上的碱性亮氨酸拉链转录因子TubZIP28在籽粒灌浆期胚乳中持续表达；其过表达可通过上调细胞质ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）提高淀粉含量，而在小麦同源基因上敲除该基因则会降低成熟籽粒总淀粉和千粒重。
3.3 Physiological traits
3.3.1 Photosynthetic traits
光合性状决定生物量形成与最终籽粒产量。与四倍体和六倍体近缘种相比，T. urartu表现出较高的旗叶光合速率。相关差异与倍性有关，二倍体小麦通常高于四倍体和六倍体。按叶面积或叶干重计算时，T. urartu同样显示出较高的光合水平，并伴随较高的气孔导度、胞间CO
2含量和叶绿素含量。
3.3.2 Abiotic stress resilience traits
干旱、盐胁迫和温度胁迫是限制全球小麦生产的重要非生物因素。T. urartu在苗期表现出较强的抗旱性，其表型特征包括较高的相对含水量（RWC）、较高的气孔导度及较高的抗旱指数，同时光系统II（PSII）的最大量子效率等指标降低，反映出胁迫适应性。研究还分离并鉴定了与非生物胁迫应答相关的脱水响应元件结合蛋白（DREB）基因。
在温度胁迫方面，鉴定到T. urartu中的多胺氧化酶（PAO）基因。PAO参与多胺分解代谢，并与植物生长发育及生物/非生物胁迫响应密切相关。其在小麦中的表达可响应热、冷及部分病原侵染，提示T. urartu中的PAO家族可能是新的抗逆基因资源。
在盐胁迫方面，T. urartu中鉴定到病程相关杂合蛋白基因Pr-1-rk及其假基因TuPr-1-rkP，其中TuPr-1-rk在盐胁迫与病原攻击下可被诱导表达。此外，还克隆到两个质体囊泡诱导蛋白1（VIPP1）基因TuVipp1和TuVipp2。VIPP1蛋白有助于维持叶绿体膜完整性，并与热胁迫和盐胁迫耐受相关。在六倍体小麦中，这两个基因对光、盐、甘露醇和低温处理具有强诱导响应。
3.3.3 Pre-Harvest sprouting resistance
收获前穗发芽（PHS）是指成熟籽粒在收获前因潮湿条件提前萌发，是影响产量和籽粒品质的关键问题。PHS抗性主要由种子休眠性决定，并受多基因及激素、环境因素共同调控，尤其与脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）代谢与信号通路相关。虽然关于T. urartu PHS的直接研究有限，但已有研究显示，包括T. urartu在内的野生A基因组祖先通常保留与较强种子休眠性相关的功能型TaPHS1等位基因，而栽培小麦中普遍存在削弱休眠性的突变。由此推测，T. urartu可能为改良PHS抗性和应对气候不确定性提供新的等位变异资源，但仍需进一步表型鉴定与遗传分析。
4 Introgression breeding and introgression of T. urartu into wheat
渐渗育种是通过杂交和多代回交，将一个物种的遗传材料导入另一个物种基因库的过程。由于小麦多倍体特性及其基因缓冲效应，来自祖先种和野生近缘种的外源片段可被导入并稳定保存。渐渗育种可采取全基因组导入或目标染色体区段导入两种策略。小麦外源染色体导入的主要障碍包括Ph1位点对同源染色体配对的抑制以及由此带来的重组效率低下。通过删除或关闭Ph1位点可诱导异源配对重组，提高目标片段导入效率。另一问题是连锁拖带，即目标片段常伴随不利基因一起被导入，影响产量、品质和适应性。为减轻这一问题，通常结合反复回交、标记辅助选择和精细定位。近年来，CRISPR/Cas9等基因编辑技术也为直接导入优良等位基因提供了新路径。T. urartu已成功导入二倍体、四倍体和六倍体小麦背景。其与栽培小麦同属小麦一级基因库，且Au染色体与小麦A染色体高度同源，具备较好的染色体共线性，因此具有可行的遗传导入基础。尽管如此，部分染色体组别，尤其涉及4A相关重排的区域，仍可能影响稳定重组。杂交后F1代常出现一定程度不育，但通过增加授粉穗数、胚挽救以及后续回交，可提升杂交成功率。
4.1 T. urartu introgression lines with disease resistant traits
目前，T. urartu中已鉴定出的多种抗病性状中，只有少数真正转入栽培小麦。白粉病抗性基因已从T. urartu转入六倍体小麦，并在杂交后代中对多个白粉病菌株表现完全抗性。通过微卫星标记，PmU被定位于7AuL染色体远端区域。另有研究利用四倍体小麦作为桥梁，将Pm60和Pm60b导入普通小麦。部分T. urartu导入系在不同生育时期对多种白粉病菌株也表现出稳定抗性。条锈病方面，由T. urartu与硬粒小麦构建的异源双二倍体中，部分材料在苗期和成株期均保持抗性，表明该物种在抗病育种中具有明确应用前景。
4.2 Introgression lines with quality traits
近年来，遗传强化营养（biofortification）成为小麦育种的重要方向。T. urartu导入系在籽粒Zn、Fe和Se积累方面表现出显著变异，部分材料在不同土壤条件下均表现出较高矿质元素含量。由此说明，T. urartu导入片段可能参与微量元素富集，可用于改良小麦营养品质。此外，携带T. urartu 1Ax + Ay亚基的导入材料表现出更高的面筋强度，说明其对加工品质亦具有积极影响。
4.3 Drought and heat stress resistance lines
来源于T. urartu与硬粒小麦的导入系在干旱条件下表现出更高产量潜力和更高抗旱指数。在摩洛哥和苏丹的多点试验中，部分导入系在干旱与热胁迫下的籽粒产量显著优于轮回亲本，说明T. urartu来源片段可增强逆境条件下的稳产能力。
4.4 Doubled haploid production in T. urartu
加倍单倍体（DH）是通过单倍体染色体加倍获得完全纯合基因组的技术，可加速性状固定和育种进程。在渐渗育种中，DH技术特别适合用于快速获得易位系、代换系和附加系。研究者已通过ph1突变体六倍体小麦与不同T. urartu材料杂交，并结合回交和DH程序，构建出多个携带T. urartu不同染色体片段的稳定导入系，其中部分材料已用于籽粒微量元素分析并筛选出优良材料。
5 Role of molecular markers in unlocking T. urartu genetic diversity for wheat improvement
T. urartu及其导入系的检测与鉴定，早期主要依赖SSR、RAPD和AFLP等分子标记，用于识别有益等位基因、区分近缘二倍体物种并评估遗传多样性。SSR对小麦相关种具有较高可转移性，也可用于区分抗病位点的功能型与非功能型等位基因。随着SNP标记的发展，外源渐渗检测进入更高通量、精细化阶段。Axiom? Wheat-Relative SNP Genotyping Array可用于识别T. urartu来源的外源片段，并构建覆盖全基因组的遗传图谱。由于该平台难以区分自交群体中的杂合与纯合个体，研究者进一步将SNP转化为染色体特异性KASP检测体系，从而实现更准确的导入片段定位与纯合筛选，并已成功应用于DH群体和后代导入系。
6 Chromosome-level characterisation of T. urartu segments in wheat backgrounds
荧光原位杂交（FISH）和基因组原位杂交（GISH）等细胞遗传学技术被广泛用于检测小麦背景中的外源染色质，并研究染色体重排。T. urartu来源探针可区分导入到B和D基因组的T. urartu片段，但由于T. urartu本身即为A基因组供体，难以明确区分A与Au之间的渐渗片段。FISH与GISH在确认染色体数目、检测是否保持正常倍性方面具有重要价值。将细胞遗传学方法与分子标记联合使用，有助于更全面理解渐渗后基因组与染色体结构变化。
7 Conclusion and prospects
栽培小麦遗传多样性有限，已成为提升产量和抗逆性的关键瓶颈。面对2050年全球小麦需求增长、气候变化加剧以及新型高毒力病原不断出现的现实，拓宽小麦遗传基础具有迫切意义。野生近缘种和祖先种一直是扩充栽培小麦遗传基础的重要来源，多个经典外源导入案例已证明其在抗病育种中的巨大价值。T. urartu作为四倍体和六倍体小麦的重要供体，能够提供抗病、抗旱、耐热、品质改良和营养强化等多维度性状资源。未来应继续加强T. urartu预育种材料的表型鉴定、遗传解析与QTL挖掘，并结合高通量基因分型和分子细胞遗传学手段，加速优异等位变异向育成品种的转化。与此同时，维持稳定的预育种体系、提升宽远杂交和细胞遗传学技术能力、加强种质交换与国际协作，都是推动该遗传资源有效利用的关键。
