《Theoretical and Applied Genetics》：Unveiling the genetic architecture of stripe rust resistance in wheat: a region-specific GWAS in Xinjiang, China
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本研究针对小麦条锈病严重威胁粮食安全的问题，通过新疆地区300份冬小麦种质资源的全基因组关联分析（GWAS），系统解析了条锈病抗性遗传架构。研究利用90K SNP芯片检测到261个标记-性状关联位点，定位到20个苗期和12个成株期抗性QTL，其中18个为潜在新位点。研究发现Hap2单倍型显著提升抗性，并开发出功能性KASP标记Kukri_c2289_635。该研究为抗病育种提供了理论基础、亲本材料和分子标记。
小麦作为全球主要粮食作物，养育着世界上约35%的人口。然而，由条形柄锈菌（Puccinia striiformis f. sp. tritici, Pst）引起的小麦条锈病，严重威胁着小麦的产量和品质。这种病害在全球60多个国家流行，包括中国、美国、澳大利亚等主要小麦生产国。在中国，小麦条锈病几乎年年发生，例如2020年就在陕西、湖北和河南南部造成了2.49亿公斤的减产损失。
问题的严重性在于病原菌与寄主之间的协同进化。随着小麦品种的更替，新的致病类型不断出现并演变为优势小种，使得原本抗病的品种逐渐丧失抗性。目前已有87个正式命名或暂定命名的条锈病抗性基因，但仅有少数如Yr5/YrSp、Yr15、Yr18等被成功克隆并应用于抗病育种。大多数抗性相关的数量性状位点（Quantitative Trait Loci, QTL）仍有待挖掘。育种实践中，育种家倾向于利用已整合到高产抗病优良品种中的抗性基因作为亲本，通过杂交选育兼具高产和抗病性的新品种。因此，迫切需要新的抗病相关遗传资源。
不同麦区的地方品种是长期人工干预和自然选择保存下来的遗传资源，对当地自然环境条件具有高度适应性，能够高产稳产，是现代小麦品种可持续改良的重要有用基因来源。近年来，国内外研究人员已从印度、中国、意大利等国的地方品种中鉴定出Yr46、Yr51、Yr81等一系列全生育期抗性（All-Stage Resistance, ASR）和成株期抗性（Adult-Plant Resistance, APR）基因。
在此背景下，研究人员在《Theoretical and Applied Genetics》上发表了题为"Unveiling the genetic architecture of stripe rust resistance in wheat: a region-specific GWAS in Xinjiang, China"的研究论文。该研究旨在揭示新疆地区小麦种质资源中条锈病抗性的遗传基础，为培育持久抗病小麦品种提供理论支持和育种材料。
为了系统解析小麦条锈病抗性遗传机制，研究人员整合了多种关键技术方法。研究选取了300份来自不同生态区的冬小麦品种（系），包括65份国外品种、121份黄淮冬麦区品种、51份北部冬麦区品种、41份长江中下游冬麦区品种和22份西南冬麦区品种。采用小麦90K SNP芯片进行全基因组扫描，获得17,187个高质量SNP标记用于群体结构和连锁不平衡分析。表型鉴定分别在苗期和成株期进行，苗期接种流行小种CYR32和CYR34，成株期在四个环境（22YL、23YL、24SP、24TS）下进行混合小种（CYR32、CYR33、CYR34、水源菌系和贵农22）接种，调查病害严重度（Disease Severity, DS）和感染型（Infection Type, IT）。利用富集压缩混合线性模型（Enriched Compressed Mixed Linear Model, ECMLM）进行全基因组关联分析，以1.72 Mb的连锁不平衡衰减距离作为置信区间合并显著关联信号。此外，还对13个已知Yr基因进行分子标记检测，并针对稳定位点开发竞争性等位基因特异性PCR（Kompetitive Allele-Specific PCR, KASP）标记。
苗期和成株期抗性评价
通过对300份小麦材料进行多环境表型鉴定，研究发现材料间存在丰富的抗性变异。苗期接种结果显示，125份材料对CYR32表现抗病（IT 0-6），169份材料对CYR34表现抗病，其中81份材料对两个小种均表现抗病。成株期抗性在不同环境中表现稳定，四个环境下分别有98、187、170和186份材料表现抗病，综合比较有76份材料在多个环境中表现稳定抗性。相关性分析显示不同环境间DS和IT的相关系数分别为0.75和0.72，表明表型数据可靠。广义遗传力估计值为0.89，说明抗性性状主要受遗传因素控制。
已知抗病基因分布
分子标记检测发现，81份材料可能含有Yr9，24份含有Yr17，25份含有Yr18，36份含有Yr28，53份含有Yr29，52份含有Yr30，99份含有Yr81，36份含有Yr86，30份含有YrZH22，8份含有YrZH84。Yr82分布频率最低（0.33%），而Yr15和Yr80在所有材料中均未检测到。48份材料未检测到上述抗病基因，其中川麦41、郑州3号等材料仍表现较好抗性，提示可能存在未知抗病基因。
群体遗传结构分析
基于17,187个SNP标记的群体结构分析将300份材料分为3个亚群。亚群1以黄淮冬麦区（60%）和北部冬麦区（20%）品种为主；亚群2以黄淮冬麦区（39.10%）和长江中下游冬麦区（25.56%）品种为主；亚群3包含较多国外品种（43.90%）。全基因组连锁不平衡衰减距离为1.72 Mb，为后续GWAS信号合并提供了依据。
全基因组关联分析结果
GWAS共检测到261个标记-性状关联位点。苗期抗性方面，定位到11个QTL，解释表型变异0.89%-4.5%，其中7个为潜在新位点。成株期抗性方面，检测到17个在三个以上环境中稳定的显著关联标记，定位到12个QTL，其中7个为潜在新位点。这些QTL分布在1A、1B、2A、2B、2D、3A、3D、4B、5A、5B、5D、6A、6B、7A和7B染色体上，解释表型变异0.01%-20.85%。
优异等位基因聚合效应
研究发现，随着携带的优异等位基因数量增加，小麦对条锈病的抗性逐渐增强。只有1份材料未携带任何优异等位基因，而其他材料均携带3个以上，最多可达12个。线性回归分析证实了优异等位基因数量与抗性水平呈负相关，表明通过聚合多个抗病位点是提高小麦条锈病抗性的有效策略。
候选基因预测
在稳定主效位点区间内预测到12个候选基因，包括编码细胞色素P450家族蛋白的TraesCS2B01G138800、编码TIR-NBS-LRR类抗病蛋白的TraesCS2B01G191000LC和TraesCS6B01G388800、编码NBS-LRR抗病蛋白的TraesCS2D01G007700LC和TraesCS3D01G511700、编码RPM1抗病蛋白的TraesCS3A01G505600、编码锌指蛋白的TraesCS5B01G362400LC、编码E3泛素连接酶的TraesCS6A01G122800、编码F-box蛋白的TraesCS6B01G062200等。这些基因在植物防御反应、生长发育调控和胁迫应答中发挥重要作用。
单倍型分析
针对重要位点QYr.xjau-3D进行单倍型分析，发现Hap1和Hap2两种单倍型在300份材料中的分布频率分别为236份和52份。表型分析显示Hap2在所有五个环境中均表现较低DS，表明该单倍型能显著提高条锈病抗性。地理分布分析显示Hap2在北部冬麦区和国外品种中分布频率较高（各占30.77%）。
KASP标记开发与验证
基于重要位点Kukri_c2289_635开发KASP标记，该位点为C/T变异。对368份小麦品种（系）的基因分型显示，292份材料（79.3%）携带CC等位基因，61份材料（16.6%）携带TT等位基因。表型验证表明不同等位基因型间DS和IT存在极显著差异（P<0.01），证明该标记在抗病育种中具有应用价值。
该研究通过多环境表型鉴定和基因组学分析，系统解析了新疆地区小麦种质资源中条锈病抗性的遗传架构。研究不仅鉴定了多份具有稳定抗性的种质资源，还发现了18个潜在新抗病QTL，为丰富小麦条锈病抗性基因库提供了重要资源。开发的KASP标记为分子标记辅助选择育种提供了实用工具，Hap2单倍型的发现为优化抗病育种策略提供了新思路。研究结果对于培育持久抗病小麦品种、保障小麦生产安全具有重要意义，同时为理解小麦与条锈菌互作的分子机制提供了新视角。
研究的创新性在于首次在新疆地区小麦种质资源中开展区域特异性GWAS分析，揭示了该生态区特有的抗性遗传特征。通过整合表型组学、基因组学和分子标记技术，构建了从基因挖掘到育种应用的完整技术体系。未来研究可进一步开展重要QTL的精细定位和基因克隆工作，深入解析其抗病机制，并通过基因聚合培育具有广谱持久抗性的小麦新品种。
