《Cereal Research Communications》：Durable resistance to stripe rust in wheat: integration of breeding tools and genomic technologies
引言
小麦（Triticum aestivum L.）是全球广泛种植的谷类作物，为不断增长的全球人口提供了重要的热量来源。然而，当前的小麦生产模式可能难以满足到205年预计达到90亿人口的粮食需求。小麦生产面临诸多生物和非生物胁迫因素的持续挑战，其中由条形柄锈菌（Puccinia striiformis Westend. f. sp. tritici Erikss., Pst）引起的小麦条锈病是世界范围内最具破坏性的病害之一。条锈病流行于几乎所有小麦种植区，尤其在温凉地区造成严重的产量和品质损失，流行时可能导致高达100%的产量损失。
在过去二十年中，全球范围内出现了更具攻击性和遗传多样性的Pst种群，它们适应了更温暖的气温，并影响了许多小麦品种的Yr抗性基因。持续寻找新的抗源，并在单个品种中积累更多抗性基因，对于控制条锈病和避免品种表现的“繁荣-崩溃”循环至关重要。
小麦条锈病抗性可根据其发生的生长阶段分为两类：全生育期抗性（ASR，亦称苗期抗性）和成株抗性（APR），包括高温成株抗性（HTAP）。目前已有86个条锈病抗性基因（Yr）被正式命名，67个被暂时命名，超过300个数量性状位点（QTL）被定位到小麦基因组中。在官方命名的抗条锈病基因中，55个赋予苗期抗性（ASR），24个赋予成株抗性（APR）。然而，新的强毒性病原菌小种的引入和传播导致了重大病害流行，因为一些在育种中广泛使用的基因被病原菌克服。历史经验表明，单一主效抗性基因的大面积使用最终会导致抗性丧失，其负面影响与含有该基因的小麦品种的推广程度呈负相关。部分或多基因抗性被定义为更持久和广谱的抗性（BSR），由QTL调控，通常通过结合有效的主效基因和微效基因来开发具有稳健和持久条锈病抗性的小麦品种。
病原菌致病性特征
条锈菌具有复杂的生活史和侵染过程，其完整生活史需要在两种不同的寄主物种上完成：小麦和小檗属（Berberis spp.）植物。Pst生活史的五个阶段中，有三个（夏孢子、冬孢子和担孢子阶段）在初级寄主（小麦）上完成，而性孢子和锈孢子阶段则需要交替寄主。夏孢子可以通过空气长距离传播并多次侵染小麦植株。
条锈菌有特化的侵染过程，包括孢子附着在寄主植物上、萌发、附着胞形成以及通过吸器形成和穿透寄主来获取营养。吸器被特化的吸器外膜和凝胶状的吸器外基质所包围。环境条件对条锈病菌的生存和病害发展至关重要，其中湿度和温度是最关键的气象因素。条锈病菌偏好凉爽天气，一旦在寄主植物组织中建立，真菌可以在低至-10°C的温度下生存，但在有足够积雪覆盖的情况下，气温不是限制因素。病菌在温度略高于0°C且低于23°C时可以侵染寄主植物，最适范围在7至12°C之间，而孢子形成在15至25°C时迅速发生。在35-40°C下，病菌仅能存活数小时。昼夜温差较大的地区比温差较小的地区更常发生条锈病。
条锈病菌的致病型正在快速进化并变得更具毒性，全球已知至少有140个条锈病菌致病型。因此，记录大地理区域内锈菌群体的遗传变化对于制定有效的持久抗性策略至关重要。科学家们通过对Pst基因组进行测序，以期更深入地了解其致病性和寄主-病原体相互作用。目前，已有超过15个Pst参考基因组公开可用。生物信息学预测表明，Pst基因组中存在超过1000个效应蛋白，然而它们在侵染过程中的具体作用仍有待探索。
除了研究Pst基因组，研究人员还在检查小麦基因组以鉴定推定的Pst抗性基因，特别是那些属于NBS-LRR家族的基因，例如小麦条锈病抗性基因YrU1。YrU1编码一个具有N端锚蛋白重复和C端WRKY结构域的卷曲螺旋-核苷酸结合位点-富亮氨酸重复蛋白（CC-NBS-LRR）。YrU1的ANK结构域源自ANK跨膜蛋白，可能作为病原体效应子的诱饵。生物信息学工具的使用有助于阐明条锈病抗性的遗传基础以及病原体与其小麦寄主之间的分子相互作用，这将有助于开发小麦品种对这种毁灭性气传病原体的持久抗性。
条锈病的遗传控制
广泛的研究集中在挖掘小麦中的锈病抗性（R）基因并优化其利用以实现可持续抗性。遗传抗性提供了一种高效、无化学物质的病害控制方法。已知超过300个小麦基因组区域赋予对条锈病的抗性，其中86个Yr基因已在全球范围内被鉴定用于小麦条锈病抗性，分布在小麦全部21条染色体上。
条锈病抗性基因通常被描述为两大类。第一类称为“全生育期抗性”或“苗期抗性”，赋予定性抗性，通常针对一个或少数几个Pst分离物。第二类称为“成株抗性”（APR），赋予定量或部分抗性。使用如此宽泛的标准来定义Yr抗性的一个挑战在于与每类相关的假设。例如，APR通常不是小种特异性的，比苗期抗性更持久，并且是由具有低或部分效应的基因控制的。
全生育期抗性（ASR）
苗期抗性，也称为定性、垂直或全生育期抗性（ASR），对一种或少数几种Pst小种有效。ASR基于基因对基因模型。它在苗期开始表达，负责ASR的抗性基因在植物的所有生长阶段都对无毒致病型有效。ASR可以很容易地整合到任何育种计划中，并提供对Pst的高水平抗性，但它不持久。随着新的强毒性优势小种的出现，含有ASR的品种在释放几年后就会变得感病。
许多历史上的病害流行是由于ASR的失效而发生的，例如涉及Yr2、Yr9、Yr17和Yr27的流行。ASR基因Yr5和Yr15仍然对美国以及许多其他国家发现的所有Pst小种有效。然而，在澳大利亚、印度、中国和土耳其已经报道了对Yr5基因有毒性的菌株，并且在阿富汗记录了对Yr15的毒性。
成株抗性（APR）
APR，也称为数量抗性，提供针对多种病原菌小种的保护。APR不是小种特异性的，并且由于其多基因性质，被认为是一种持久形式的抗性。通常，APR不提供完全免疫，但会延迟感染和孢子产生，导致慢锈表型。在分子水平上，APR不依赖于NBS-LRR蛋白，例如Yr18和Yr46的情况，它们编码转运蛋白。
迄今为止，已鉴定出25个Yr基因和大量成株抗性（APR）的数量性状位点（QTL）。在这些基因中，有些赋予高温成株抗性（HTAP），例如Yr18、Yr36、Yr52、Yr59、Yr62、Yr78和Yr79。HTAP抗性在成株期高温下有效，并由QTL控制。然而，随着全球变暖，选育耐高温的小麦品种变得越来越重要。
APR长期以来一直被公认为是YR抗性的持久来源。两个著名的例子是Yr18/Lr34/Sr67/Pm38，它作为CIMMYT国际育种计划的一部分已广泛用于春小麦品种；以及Yr16，这是一个常用于早期欧洲品种（如‘Cappelle Desprez’）的APR基因，该品种是欧洲小麦系谱中的一个重要节点。
条锈病抗性标记开发
小麦遗传学和基因组学的显著进步推动了自20世纪90年代初第一代基于杂交的限制性片段长度多态性（RFLP）标记引入以来的分子标记开发和创新。由于RFLP标记频率低、成本高且耗时，已被其他类型的标记所取代，如今很少使用。
第二代基于PCR的标记，如随机扩增多态性DNA（RAPD）和简单序列重复（SSR），被开发用于QTL和基因发现。RAPD由于其重复性差且染色体物理位置信息有限而已不再使用，而SSR因其丰度高、多态性高和基因组特异性强，已广泛用于小麦遗传学研究。
随着DNA测序技术的出现，第三代单核苷酸多态性（SNP）标记已成为QTL和基因定位的首选，进一步推动了分子育种。对于高密度连锁和遗传图谱构建，源自测序方法（例如，基因分型测序，GBS）和芯片（例如，660K芯片）的SNP标记比传统标记（如SSR）更合适，因为SNP标记数量更多、密度更高、遗传稳定性好且易于自动化检测。因此，它们现在广泛用于QTL和关联分析。
从RFLP到SSR的转变，以及正在向SNP的过渡，不仅反映了技术进步，也反映了对提高性能、可扩展性以及将分子标记整合到育种流程中的需求。SNP标记与下一代测序（NGS）系统相结合，现已成为小麦高分辨率遗传图谱构建和分子育种的主力，加速了基因发现、标记辅助选择（MAS）和基因组选择。
分子标记，特别是SNP标记的发展，彻底改变了QTL分析。SNP标记现在广泛用于遗传分析和育种。随着分子技术的快速进步，现在可以利用分子标记信息将重要的QTL定位到染色体上。此外，NGS技术的进步使得对整个群体进行测序成为可能，允许同时实现全基因组覆盖。这种方法被称为基因分型测序（GBS），它利用来自基因分型群体的数据，是一种用于全基因组SNP检测的经济高效的技术。
标记辅助选择（MAS）
小麦抗性的标记辅助选择（MAS）是一种利用分子标记来选择针对特定病害抗性的植物育种技术。这种方法将传统植物育种方法与现代分子生物学工具相结合。在MAS中，与目标性状（如条锈病抗性）相关的分子标记被用来筛选大量小麦品种。仅基于表型的常规育种耗时且效率低下。MAS作为一种分子育种形式，已被证明是一种有效且有价值的方法，可以帮助植物育种家实现其目标。
作为重要的育种工具，MAS可以使目标性状的选择对育种家来说更快、更容易。通过使用MAS结合双单倍体（DH）技术，将锈病抗性和面团品质位点转移到优良但感病的品系‘Stylet’中，南澳大利亚的育种家在五年内开发出了一个商业品种，而常规育种需要12年。分子遗传学的进步导致了抗病品种DNA标签和MAS方法的发展。由于分子标记和遗传图谱的使用便利，MAS现在可用于由主效基因和QTL调控的性状。
通过标记辅助回交将Yr59基因导入不同的优良背景中，并推进到BC2F4代，证明了在选择下的基因转移和抗性，这缩短了育种周期。为Yr29/Lr46和YrMu开发的育种家友好型KASP和 indel 标记现在可用于育种流程中的APR选择。
基因聚合/设计小麦条锈病抗性
通过基因和QTL聚合重新编程小麦基因组是提高对条锈病（一种影响小麦的毁灭性病害）抗性的关键策略。在这种方法中，将多个抗性基因或QTL整合到一个品种中，以实现对病原菌的持久和广谱抗性。
实现功能性基因聚合的有效方法是使用分子标记。这些特定的DNA序列在识别与特定性状相关的基因和跟踪育种过程中这些基因的遗传方面起着至关重要的作用。分子标记的使用使得能够聚合多个抗性基因，如Yr64和Yr15，以提高小麦品种条锈病抗性的持久性和有效性。
全基因组关联研究有助于识别地方品种中稳定且高抗的位点，为了解条锈病抗性的遗传结构提供了宝贵的见解。新QTL的鉴定及其成功导入优良小麦种质，突显了在条锈病抗性QTL聚合方面取得的重大进展，并为开发对该病原菌具有改良抗性的小麦品种提供了一条有前途的途径。此外，全面的元QTL分析识别出许多与条锈病抗性相关的基因模型，为基因聚合策略提供了丰富的资源。
小麦品种中Yr基因的多样性与条锈病选择压力的减弱高度相关，强调了使用多于一个抗性基因进行聚合的重要性。将全生育期抗性基因YrZH84导入两个中国西南小麦品种有效地证明了多样化抗源对于持久病害抗性管理的重要性。
然而，在面对混合病原菌压力时，持久性仍然是一个主要障碍。在许多耕作系统中，植物同时受到多种病原菌和病原菌菌株的攻击。聚合多个R基因或结合定性和定量抗性可以在短期内提供稳定的广谱保护，但数据表明这些策略会对病原菌施加选择压力，使其进化更快。例如，研究表明聚合抗性基因会导致选择具有双重毒性的分离株，在某些情况下，这些分离株克服了双重防御层，从而降低了抗性屏障的有效寿命。克服这一挑战需要将分子育种方法与持续的病原菌监测和病原菌进化建模相结合。
总体而言，这突出了基因和QTL聚合用于小麦条锈病抗性的巨大潜力。新抗性基因和QTL的鉴定和表征为开发对这种毁灭性病害具有改良抗性的小麦品种提供了有希望的机会。
数量性状位点（QTL）
QTL和基因相关但不相同。基因编码控制性状（如株高和病害敏感性）的特定蛋白质或RNA。相比之下，QTL是与受多个基因影响的性状相关的基因组区域。它们用于绘制和研究植物复杂性状的遗传基础。鉴定QTL提供了性状遗传基础的信息，可用于改进植物的抗病育种计划。
QTL作图是进行复杂性状遗传分析的强大技术，包括作物的数量病害抗性。条锈病抗性也被视为数量性状，从而鉴定出超过350个QTL。通过识别与特定性状相关的分子标记来绘制QTL图谱。在QTL作图中，通常杂交具有对比性的亲本（抗病和感病）来开发作图群体。
QTL分析的主要目标是将数量性状位点缩小到特定的染色体位置，因为染色体QTL区域通常很大，并且可能允许在植物育种中将与所需QTL连锁的不良性状一起转移。QTL作图需要双亲本作图群体来识别表型与遗传标记之间的关联。可以使用各种平台创建连锁图谱，例如MapMaker、JoinMap或R包ASMap。
可以使用各种统计方法进行QTL分析，以揭示表型数据与遗传标记之间的关联。单标记分析（SMA）、复合区间作图（CIM）和多重区间作图（MIM）已被描述用于QTL作图。
一项值得注意的研究通过在中国小麦地方品种中绘制QTL发现，携带多个QTL（QYr:sdau-1B, QYr:sdau-5B, 和 QYr:sdau-6B）的品系比携带单个QTL的品系表现出更高的条锈病抗性，表明聚合这些QTL可以提供更强大的成株抗性。这不仅强调了特定基因的重要性，也强调了组合多个QTL所产生的加性效应。此外，研究人员利用源自PI 660122和中国优良品系郑麦9023杂交的重组自交系（RIL）群体，定位了九个赋予不同类型和程度条锈病抗性的QTL。在染色体1B、2B、6A、6D和7D上各鉴定出一个QTL，在染色体4B和4D上各鉴定出两个QTL。其中，鉴定出对应于抗性基因Yr29、Yr28和Yr18的QTL（QYrZM9023.swust-1BL, QYrPI660122.swust-4DS, 和 QYrPI660122.swust-7DS），而QYrPI660122.swust-4BS, QYrPI660122.swust-4BL, 和 QYrZM9023.swust-6DS被报道为新的QTL。作者证明了不同QTL的组合提高了抗性水平。
全基因组关联研究（GWAS）
条锈病抗性的基因和等位基因已在各种种质资源集合中被鉴定出来，包括古老和现代小麦品种、人工合成六倍体小麦、二倍体和四倍体小麦祖先、近缘种及野生近缘种。GWAS是一种基于自然群体中的连锁不平衡（LD）来揭示目标性状与遗传变异之间关联的基因组工具。
GWAS在育种计划中的主要优势是可以快速、低成本地获得性状遗传结构的信息。此外，GWAS在小麦中的应用比几乎任何其他作物都更广泛。一个可能的原因是由国际小麦基因组测序联盟（IWGSC）提供的参考基因组序列的可用性，极大地促进了与目标性状相关位点的检测。此外，SNP芯片，如90K芯片，已被用于GWAS以识别与条锈病抗性相关的基因组区域或标记。
GWAS为解析条锈病抗性的遗传基础提供了宝贵的资源。然而，GWAS的主要挑战是出现假阳性关联，这通常由群体结构和多样性面板内存在共享相似祖先的亚群引起。GWAS中使用的统计方法通常通过纳入协变量来校正结构，从而减少或消除假
