《Crop Science》：Evaluation of disease resistance in intermediate wheatgrass and genome-wide association for fusarium head blight-related traits
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中间偃麦草（IWG）[Thinopyrum intermedium (Host) Barkworth & D. R. Dewey] 是一种极具潜力的多年生谷物候选作物，The Land Institute 自2001年起一直在对其进行直接驯化。改良后的中间偃麦
中间偃麦草（IWG）[Thinopyrum intermedium (Host) Barkworth & D. R. Dewey] 是一种极具潜力的多年生谷物候选作物，The Land Institute 自2001年起一直在对其进行直接驯化。改良后的中间偃麦草籽粒以 Kernza 商标出售。镰刀菌头状花序枯萎病（FHB）抗性是降低谷物毒素含量、保护 Kernza 价值与种子供应的高优先级性状。研究人员在2018年至2022年间对两个中间偃麦草育种周期进行了评估，每个周期包含约500个独特的遗传个体，以调查病害反应并鉴定与抗病性相关的染色体区域。研究人员利用21个连锁群中的32,067个标记，通过 Genome-wide Association 分析对17个不同性状进行了 Quantitative trait loci 定位。在14个不同性状中总共检测到188个独特的标记-性状关联，其中5个性状与镰刀菌头状花序枯萎病抗性相关。研究人员额外使用了基本局部比对搜索工具比对创建工具来鉴定小麦 Fhb1 区域与中间偃麦草基因组之间的同源性，包括一个中间偃麦草 GDSL-like lipase/Acylhydrolase 基因，该基因与 Triticum aestivum Sumai 3 的 Fhb1 基因组序列具有89%的相似度。在 Fhb1 区域之外，还鉴定出了其他针对镰刀菌抗性的候选基因，其功能与毒素降解、防御激素和代谢物相关。这些结果提供了可用于未来选择的基因位点，以增强中间偃麦草对镰刀菌头状花序枯萎病的遗传抗性。
研究背景与意义：中间偃麦草（IWG）是小麦的近缘多年生草本植物，自20世纪80年代起被作为多年生谷物候选作物进行驯化。作为一种常年生长的谷物，它不仅能够提供可销售的谷粒，还可以提供减少土壤侵蚀、增加碳固存等环境效益。然而，要在农业上真正实现这些价值，中间偃麦草必须在多种环境因子（尤其是病原体和病害）下保持多年高产和存活。在北美地区，由禾谷镰刀菌主要引起的镰刀菌头状花序枯萎病（FHB）是影响年降雨量中高地区中间偃麦草种植的一大威胁。该病原体在开花期感染穗部，导致小花死亡并污染种子，产生包括脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）在内的真菌毒素。这些毒素严重威胁人类与牲畜健康，并已在新兴作物 Kernza 的田间被检测到。目前，虽然农业上采用翻耕、焚烧等管理手段，但通过遗传抗性进行改良仍是控制镰刀菌头状花序枯萎病最理想的途径。在小麦中，位于3BS染色体上的 Fhb1 是最可靠的抗性来源。虽然中间偃麦草对镰刀菌头状花序枯萎病的发病率和严重程度低于小麦，但其作为新兴作物，其抗性遗传基础尚不明确。因此，开展这项研究以评估中间偃麦草对镰刀菌头状花序枯萎病的抗性并进行全基因组关联分析，鉴定相关基因位点，对保护该作物的种子供应链与商业价值具有重要战略意义。本研究的研究成果已发表在《Crop Science》期刊上。
关键技术方法概述：本研究使用的植物样本来源于 The Land Institute（TLI）育种项目的第7和第10轮选择周期的遗传个体群体，并在堪萨斯州 Salina 和 Olathe 的田间病圃进行评估。研究人员主要利用了如下关键技术：通过双酶 Genotyping-by-sequencing（GBS）和单核苷酸多态性（SNP）调用进行基因组图谱分析；基于 FarmCPU 模型结合 Genome-wide Association study（GWAS）进行 Quantitative trait loci（QTL）定位；利用基本局部比对搜索工具（BLAST）将小麦 Fhb1 区域序列与中间偃麦草基因组进行同源性比对分析；使用混合效应模型评估性状差异并计算广义遗传力。通过气相色谱-质谱和液相色谱-质谱技术完成 DON 及其他真菌毒素的定量检测。
研究结果：
病圃数据分析：通过对两个育种周期的连续多年表型数据分析，研究人员发现病害水平在不同周期、年份和地点之间存在差异。第7周期的镰刀菌头状花序枯萎病病害指数和发病率显著低于第10周期。大多数中间偃麦草个体对常见的叶部病害表现出普遍的抗性，且样本测试显示超过一半的样本 DON 毒素含量低于美国食品药品监督管理局建议的1 ppm标准。与易感病的小麦对照相比，中间偃麦草在相同条件下的病害严重度更低。研究发现镰刀菌头状花序枯萎病相关性状与产量呈负相关，并且植株高度与病害表现出一定的关联，较高的植株通常含有较低的 DON 及其解毒产物 DON-3-O-glucoside（D3G）。此外，这些性状的广义遗传力普遍偏低，表明环境因素对观察到的性状变异起主导作用。
Genome-wide Association 分析：研究人员对表型分布进行了关联分析，共检测到188个显著的标记-性状关联位点，分布在所有21条染色体上。这些位点在多个性状或年份中存在共享现象。在镰刀菌头状花序枯萎病相关性状中，共识别出94个分子标记。研究发现不同育种周期之间检测到的位点存在差异，这可能是由于育种过程中的选择压力导致等位基因频率发生漂移。其中，解释表型变异（PVE）最高的位点分别位于染色体 2J、7S、6V 和 7J 上。这些鉴定的位点可直接用于标记辅助选择或 Genomic selection（GS），以提高育种群体中抗病等位基因的频率。
与近缘物种的 BLAST 同源性比对：在利用基本局部比对搜索工具（BLAST）将检测到的位点与核酸数据库比对后，发现多个位点与小麦和野生二粒小麦及大麦的抗病功能基因具有高度同源性。这些候选基因的功能涉及将 DON 毒素解毒为低毒形式、产生防御激素以及相关的代谢物等。由于关联分析方法本身的局限性，这些候选基因仍需通过精细定位和表达分析等手段进一步证实其确切功能。
Fhb1 区域的确定与研究：为了在中间偃麦草基因组中定位小麦的 Fhb1 同源区域，研究人员进行了针对性的 BLAST 比对，在染色体 3J、3V 和 3S 上找到了匹配区域。在利用较为宽松的单标记显著性阈值检验时，研究人员发现该区域有5个标记与镰刀菌头状花序枯萎病性状相关。其中两个显著性位点与小麦 Sumai 3 品种的 Fhb1 基因组区域高度匹配，它们位于中间偃麦草的 Thintv31194873m.g 基因内，该基因与 GDSL-like Lipase/Acylhydrolase 基因家族具有同源性。在植物中，该基因家族在应对生物与非生物胁迫的信号传导中发挥重要作用。此外，在 3J 染色体上也发现了具有类似属性的基因。
讨论与结论：本研究通过 Genome-wide Association 研究，在全基因组范围内鉴定了中间偃麦草控制镰刀菌头状花序枯萎病田间性状及真菌毒素的多个位点，包括与小麦 Fhb1 同源的基因区域。这表明即使在性状遗传力较低、环境因素影响较强的情况下，遗传信号依然可以通过关联分析被识别出来。田间抗性与 DON 抗性之间的相关性证实了真菌毒素在病害侵染与蔓延中的关键作用。研究结论指出，本研究鉴定的抗性位点将为中间偃麦草的基因组选择育种提供有价值的遗传工具。育种项目可以通过追踪这些有利等位基因在群体中的频率，在不需要额外基因分型的情况下增强群体的抗病潜力。此外，随着 Kernza 种植区域的扩展及气候变化带来的潜在病害压力增加，本研究鉴定的位点也可能通过远缘杂交渗入到其他小谷物作物中，为提升更广泛作物的抗病性提供借鉴。未来仍需对所鉴定的位点进行长期多年份和地点的田间试验，以验证其生理生化功能并开发配套的病害管理策略。
