小麦回交导入系（BILs）中对Rhyzopertha dominica（F.）这种储粮害虫的抗性的遗传解析

《Journal of Stored Products Research》：Genetic dissection of storage pest resistance against Rhyzopertha dominica (F.) in wheat backcross introgression lines (BILs)

小麦储粮害虫抗性QTL定位及候选基因研究|Syn14135|BILs筛选|Rhyzopertha dominica|多效QTL|CYPs基因簇

　　

Pooja Rani | Abhishek Pandey | Guru PN | Beant Singh | Palvi Malik | Deepika Narang | Achla Sharma | Parveen Chhuneja | Tanu Sri | Neha Gupta | Dhanashree Mhatre | Satinder Kaur

印度旁遮普农业大学农业生物技术学院，卢迪亚纳

摘要

小麦作为一种重要的主粮作物，在收获后由于储藏害虫（尤其是*Rhyzopertha dominica*）的影响而遭受大量损失。本研究评估了73条来自*Syn14135*与*BWL4444*杂交的后代回交导入系（BILs）对*R. dominica*的抗性，并利用这些系来定位与抗性相关的数量性状位点（QTLs）。在感染后30天、60天和90天时，分别记录了成虫出现率、受损谷粒数量和谷粒重量损失三个参数，所有参数均随时间呈现持续线性增加的趋势。有10条BILs表现出较高的抗性水平，其中PN410、PN372和PN266在所有记录的参数上均表现出强烈且稳定的抗性。所有BILs（包括亲本）均使用35K Axiom SNP阵列进行了基因分型，以识别与抗性相关的标记。包容性复合区间作图（ICIM）在4D、7A和7D染色体上检测到了4个QTLs。值得注意的是，4D染色体上的*QDg.pau-4D/QGwl.pau-4D*显示出多效性，对受损谷粒数量和谷粒重量损失都有贡献。此外，*QAe.pau-7A*和*QGwl.pau-7D*被确定为与抗性相关的高置信度位点。这些QTLs下的候选基因包括细胞色素P450（CYPs）、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、NAC SECONDARY WALL THICKENING PROMOTING 3和谷胱甘肽S-转移酶，这些基因在小麦及其他作物中已知具有抗病、抗虫作用。本研究阐明了BILs中储藏害虫抗性的遗传机制，并确定了关键基因组区域和抗性系，为培育具有更好储藏保护和减少储藏损失的小麦品种提供了宝贵资源。

引言

小麦是全球主要种植的主粮作物，为全球大量人口提供热量和蛋白质的主要来源（Poudel等人，2021年）。增加国家和全球小麦产量对于确保粮食安全和可持续性至关重要。此外，这种作物还是应急储备的关键组成部分，有助于稳定市场价格并通过出口获得外汇收入。在印度，印度食品公司和其他机构收购并储存了全国约33%的小麦产量（Kumar等人，2021年）。然而，小麦的丰富性也带来了一系列挑战，尤其是在储存过程中造成的损失。由于储存基础设施不足，谷物暴露在不适当的温度和湿度下，以及传统的储存方式（如使用储存袋或金属箱），使得储存材料容易受到害虫、啮齿动物和微生物的侵害。不同国家的储存损失差异显著，发达国家约为1-2%，而发展中国家则为20-50%；在印度，这些损失范围在4.93%到26.50%之间（NABCONS，2022年）。 导致谷物破坏的主要原因是储藏害虫，主要包括甲虫和鳞翅目昆虫。其中，*R. dominica*（F.）（鞘翅目：Bostrichidae），俗称小麦蛀虫，是全球储藏谷物的主要害虫之一。这种昆虫会对小麦、水稻、玉米和大豆等各种储存产品造成严重损害（Edde，2012年），对谷物的质量和数量构成重大威胁。*Rhyzopertha dominica*通过内部取食直接损害储存的谷物。虽然雌虫在体外产卵，但孵化后的幼虫会钻入谷粒中，成虫则通过啃咬谷粒而出。此外，幼虫和成虫还会产生排泄物和粪便，进一步降低储存谷物的营养价值和商业价值（Oppert等人，2022年）。控制这种害虫造成的储存损失的主要策略依赖于使用合成杀虫剂，如溴氰菊酯、马拉硫磷和磷化铝。然而，这些化学物质的过度和重复使用会对消费者健康造成严重后果，并导致*R. dominica*种群产生抗性（Kashyap等人，2024年）。因此，减少对化学杀虫剂的依赖并探索替代的害虫控制方法至关重要。 培育具有内在抗性的小麦品种是通过限制害虫生长和繁殖来管理储藏害虫的有效策略。尽管宿主抗性被认为是一种成本效益高且可持续的方法，但它需要具有高抗性的供体系（Parde等人，2010年；El Bouhssini等人，2013年）。然而，由于历史上的育种优先考虑产量和抗病性而非抗储藏害虫性，大多数商业小麦品种的抗性不足或不够理想（Lemic等人，2020年）。此外，由于驯化导致的遗传瓶颈显著减少了可用于抗害虫性的遗传多样性（Pont等人，2019年）。因此，识别和利用野生种质资源以拓宽遗传多样性并培育出具有更好抗储藏害虫性的小麦品种至关重要。 *Aegilops tauschii*（2n = 14, DD）是小麦的重要野生近缘种，作为D基因组的供体。它已被认为是一种潜在的抗生物胁迫（如蚜虫、谷物胞囊线虫和白粉病）抗性的转移来源（Kou等人，2023年）。为了利用这一遗传潜力，将*Ae. tauschii*与*Triticum durum*（2n = 4x = 28; AABB）进行杂交，人工培育出合成六倍体小麦（SHW）。这些合成小麦与现代小麦品种完全兼容，为快速将野生近缘种的新型遗传多样性转移到栽培小麦中提供了良好的桥梁（Yang等人，2009年）。利用这一遗传潜力，旁遮普农业大学通过将*T. durum*（AABB）与*Ae. tauschii*（DD）杂交，成功培育了一系列SHW（Kaur等人，2021年，2022年）。其中，合成系Syn14135表现出对储藏害虫*R. dominica*的显著抗性。基于初步筛选，该系随后与优良小麦品种杂交，以促进与*R. dominica*抗性相关的基因组位点的导入和定位。 全球许多研究人员使用不同的参数（如成虫出现率、谷粒损伤、平均发育期、谷粒重量损失和易感性指数）对小麦品系进行了抗储藏害虫性的筛选。与易感品系相比，抗性品系表现出较低的取食量、谷粒损伤和重量损失（Singh和Sharma，2021年；Kumawat等人，2022年）。基因组资源和分子标记技术的进步显著增强了控制小麦中生物胁迫（如害虫和疾病抗性）的基因组区域的识别能力。高质量参考基因组的可用性，以及全基因组测序（WGS）、基于测序的基因分型（GBS）和高密度SNP阵列，使得能够精确定位与小麦及其他植物物种中生物胁迫相关的数量性状位点（QTLs）（Zhang等人，2020年；Kisten等人，2020年；Pandey等人，2024年）。例如，GBS成功鉴定了如H4和H7基因等主要抗性位点，这些基因赋予小麦对赫赛斯蝇的抗性，而GWAS则揭示了小麦锈病抗性的关键区域（Liu等人，2020年；Phuke等人，2022年）。QTL定位和GWAS具有互补作用：QTL定位在双亲群体中能够检测到中等至大的效应位点，并有助于精细定位；而GWAS则通过利用自然遗传多样性和历史重组提供更高的分辨率。尽管GWAS的应用范围更广，但通常需要更大的样本量和严格的群体结构控制，而QTL定位则能更可靠地检测到在特定亲本间分离的位点，使其适用于标记辅助选择。 在这种情况下，通过QTL定位识别与小麦抗*R. dominica*相关的基因组区域是及时且有价值的，为培育耐储藏害虫的品种提供了紧密关联的分子标记。在本研究中，利用来自Syn14135的后代回交导入系（BILs）来筛选和识别与*R. dominica*抗性相关的基因组区域。为此，73条BILs接受了*R. dominica*的侵染，随后根据成虫出现率、谷粒损伤和谷粒重量损失确定了抗性和易感性。随后进行了QTL定位，以确定可能负责抗性的基因组区域。最后，我们提出了与*R. dominica*抗性相关的潜在候选基因。

植物材料

植物材料

植物材料包括73条BC1F6后代回交导入系（BILs），这些系由自主研发的合成六倍体小麦Syn14135与*T. aestivum* cv. BWL4444（HD2967+Yr10）杂交而来（Kaur等人，2021年，2022年）。HD2967是一个已发布的品种，其系谱为ALD/COC//URES/HD2160M/HD2278。合成小麦Syn14135是在本研究开始之前培育的。在Syn14135的培育过程中，四倍体小麦*T. durum*（AABB） cv. PDW233作为母本与二倍体野生种进行了杂交。

BILs在谷粒侵染参数上的表型变异

ANOVA（表S2）显示，BILs在成虫出现率（AE）、受损谷粒比例（DG%）和谷粒重量损失（GWL%）方面存在显著变异（p < 0.001）（表S1），不同基因型（表S3）、侵染时间（30天、60天、90天；表S4）以及基因型×时间周期的交互作用（表S5）之间也存在显著差异（p ≤ 0.05）。侵染参数（AE、DG、GWL）在BILs之间以及不同时间间隔内均有显著变化。成虫出现率（AE）逐渐增加，直到90天达到最高值。

对*R. dominica*的抗性表型评估

储存的小麦极易受到*R. dominica*的侵害，这种害虫是导致谷粒重量损失和品质下降的主要原因（Kumawat等人，2022年）。由于昆虫行为、种子生理和潜在遗传机制之间的复杂相互作用，培育出对*R. dominica*等储藏害虫的抗性面临相当大的挑战。此外，栽培小麦品种的抗性通常有限（Singh和Sharma，2021年；Yousuf等人，2025年）

结论

本研究强调了从*Ae. tauschii*衍生出的合成小麦导入系作为*R. dominica*抗性来源的潜力，解决了小麦收获后抗害虫性这一尚未充分探索的方面。在7A和7D染色体上鉴定出的QTLs与成虫出现率和谷粒重量损失相关，为理解抗储藏害虫性提供了初步的遗传框架。检测到的QTLs仅解释了相对较低的表型变异比例（7-8%）。

CRediT作者贡献声明

Pooja Rani：撰写初稿、验证、方法学设计、数据管理。 Abhishek Pandey：撰写初稿、数据管理。 Guru PN：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资源提供。 Beant Singh：验证、监督。 Palvi Malik：数据可视化、正式分析、数据管理。 Deepika Narang：数据可视化、正式分析、数据管理。 Achla Sharma：监督。 Parveen Chhuneja：监督。 Tanu Sri：撰写、审稿与编辑。 Neha Gupta：监督。

资金来源

本研究得到了印度新德里政府科学和技术部科学工程研究委员会（DST-SERB）的支持，研究资助编号为SPG/2023/000577。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢Kuldeep Singh博士（ACI主任兼国际半干旱热带作物研究所-ICRISAT负责人）在合成小麦后代回交导入系的开发、指导以及在整个研究过程中的持续鼓励方面的宝贵贡献。