六倍体桥梁渗入拓宽芥菜型油菜遗传多样性并富集抗根肿病等位基因

《Frontiers in Plant Science》：Hexaploid-bridged introgression broadens genetic diversity and enriches clubroot-resistance alleles in Brassica juncea

本研究通过合成六倍体（AABBBB/AAAABB）桥梁策略，成功将二倍体祖先（B. rapa, AA; B. nigra, BB）的基因组片段高效渗入栽培芥菜型油菜（B. juncea, AABB）中。全基因组重测序证实新种质构成独特遗传类群，且随自交世代（F1至F3） fertility（育性）与表型快速稳定。通过标记辅助选择（MAS）将欧洲饲用芜菁ECD04的根肿病抗性（CR）基因（如PbBa8.1、PbBa1.1、BraA.CR.b）导入B. juncea背景，F5代抗性等位基因频率（AF）提升至54.4%，与病情指数（DI）呈强负相关（r = -0.98），显著拓宽了该作物的遗传基础与抗病育种潜力。

　　

引言

芥菜型油菜（B. juncea, AABB, 2n = 36）作为重要的油料、蔬菜和调味料作物，因其对干旱、盐碱等非生物胁迫的高适应性而在边际环境中广泛种植。然而，当前栽培种的遗传基础狭窄，限制了其遗传改良潜力。传统通过直接杂交二倍体祖先（B. rapa, AA; B. nigra, BB）进行基因渗入的方法面临严重的生殖障碍，如杂种不育和胚胎败育。合成六倍体桥梁材料（AABBBB/AAAABB）因其与二倍体亲本的良好杂交亲和性及自交世代中稳定的育性（花粉活力>90%，每荚2–4粒种子），为克服这些障碍提供了新途径。

材料与方法

研究利用32份B. nigra和20份B. rapa种质，分别与六倍体桥梁材料（MS2–MS4为A^jA^jA^rA^rB^jB^j，MS6为A^jA^jB^jB^jBⁿBⁿ）杂交，获得F₁代后通过连续自交和标记辅助选择（MAS）推进至F₅代。对61份新种质（F₁和F₂）、亲本及10份现有B. juncea对照进行全基因组重测序（平均深度9.3×–16.6×），利用BWA比对BjuIR参考基因组，通过GATK进行变异检测，并基于SNP和InDel进行系统发育树构建和主成分分析（PCA）。为验证性状改良效率，以欧洲饲用芜菁ECD04为抗根肿病（CR）供体，使用4个CR连锁标记（CR-m090a、CR-BSA3、CR-S14R14、CR-S17R17）在F₂–F₅代进行MAS，并通过实验室接种Plasmodiophora brassicae生理小种4评估抗性。

结果

新种质育性特征：F₁代杂种育性（每荚种子数）较低，尤其MS6×B. rapa组合，但随自交世代显著提升，F₃代时接近现有B. juncea水平。MS2–MS4衍生杂种在早期世代表现更高育性。

表型多样性：F₁代植株呈现羽状裂叶、叶毛、紫色叶脉等变异，F₂代部分性状减弱，F₃代显著趋向现有B. juncea表型。

遗传多样性分析：系统发育和PCA显示新种质（尤其F₁）形成独立于现有B. juncea的遗传类群，F₂代个体向现有B. juncea聚类偏移。群体内遗传距离（GD）分析表明，新种质GD（F₁: 0.168; F₂: 0.152）显著高于现有B. juncea（0.090），证实其独特遗传多样性。

根肿病抗性种质开发：通过MAS，ECD04抗性等位基因频率（AF）从F₂代的31.3%升至F₅代的54.4%。AF与病情指数（DI）呈强负相关（r = -0.98）。F₅代高抗家系（如5G06、5G11，AF=77.5%）DI低至11.5–12.5，而中抗家系（AF=50%–75%）DI为23.1–31.2。

讨论

新种质构成独特的遗传资源库，其育性和表型在自交过程中快速稳定，归因于基因组重组和有害互作清除。MAS在六倍体衍生群体中高效富集了CR等位基因，且抗性呈现剂量效应。但部分家系（如5G13）即使AF较高仍表现中度感病，提示可能存在连锁累赘或背景基因组互作，需结合背景选择优化。

结论与展望

六倍体桥梁策略为多倍体作物遗传改良提供了高效框架，新种质为B. juncea育种提供了丰富等位基因资源。未来需在多环境中评估高级世代的农艺性状，推动其商业化应用。