《Theoretical and Applied Genetics》：Structural diversity of Ym2, a gene conferring resistance against Wheat yellow mosaic virus
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本文聚焦小麦黄花叶病毒（Wheat yellow mosaic virus， WYMV）这一严重影响冬小麦产量和品质的土传病害。为探索利用抗病基因Ym2进行抗病育种的可能性，研究人员系统分析了中美小麦种质中Ym2位点的等位变异。研究发现Ym2存在丰富的结构多样性，鉴定出22种单倍型，其中14种为功能型。研究证实，携带功能型Ym2的品系对WYMV表现出显著抗性，揭示了其在中国小麦抗病育种中的巨大应用价值，为未来培育兼抗新品种提供了关键的遗传资源与理论依据。
小麦是全球重要的粮食作物，其产量与品质的稳定直接关系到粮食安全。然而，一种由土壤中的禾谷多黏菌（Polymyxa graminis）传播的病毒——小麦黄花叶病毒（Wheat yellow mosaic virus， WYMV）——长期以来严重威胁着冬小麦的生产。受感染的植株在春季生长迟滞、叶片黄化，可导致高达80%的减产。由于该病毒长期存于土壤中，化学防治不仅成本高且污染环境，轮作等农艺措施亦难以根除，因此，培育和种植抗病品种被认为是控制该病害最经济、有效且环保的策略。
为了应对这一挑战，科学家们已从不同遗传背景中鉴定出多个抗WYMV的基因或数量性状位点（QTL），其中之一便是位于3B染色体短臂上的Ym2基因。该基因最初源于二倍体野生近缘种 Sharon山羊草（Aegilops sharonensis），被导入普通小麦后，被发现能编码一个CC-NBS-LRR（卷曲螺旋-核苷酸结合位点-富含亮氨酸重复）类抗病蛋白，在根部抑制病毒的初始侵染。然而，尽管该基因功能已知，但关于它在不同小麦种质资源中是否存在等位变异、这些变异的功能效应如何，以及它们在全球不同育种材料中的分布情况，尤其是对中国小麦育种的意义，此前尚未有系统性的研究。为了填补这一空白，并挖掘Ym2基因在抗病育种中的直接应用潜力，本研究应运而生。
本研究对542份小麦种质（包括122份中国核心亲本材料和420份美国种质）中的Ym2基因进行了大规模测序与基因型鉴定。研究人员在中国山东两个WYMV高发田间试验站（莒南和林沂）进行了连续三年的田间抗病性表型鉴定。通过Sanger测序，他们共鉴定出Ym2位点存在22种单倍型。结合已发表的序列数据，发现其中14种单倍型能编码完整或具有功能变异的Ym2蛋白，被归为“功能型单倍型”（Hap_1至Hap_14）；其余8种单倍型（Hap_15至Hap_22）则因提前产生终止密码子或移码突变而编码截短的蛋白，或为无法扩增的无效等位基因，被归为“非功能型”。
在功能型单倍型中，除了在抗病品种Madsen中发现的原始等位基因（Hap_1）外，研究人员还发现了12种因非同义突变产生的氨基酸变异单倍型，以及2种在NBS结构域编码区内发生了短片段插入的新单倍型（Hap_8和Hap_9）。Hap_8插入了编码六肽ERFLIN的18个核苷酸，而Hap_9则插入了编码七肽ERSWQNH的21个核苷酸。此外，通过重组检测程序（RDP5）分析，推测Hap_7可能由Hap_6和Hap_10通过基因座内重组事件形成。
为了评估不同Ym2基因型与抗病性的关系，研究人员对比了携带功能型Ym2单倍型（Hap_1至Hap_9）与携带非功能型/无效单倍型（Hap_15至Hap_22）的小麦材料在田间的病害严重度。结果显示，在两个试验地点、三个生长季中，携带功能型Ym2的品系其平均病害评分均显著低于非携带者。这一统计上的显著差异（p<0.05，Wilcoxon检验）有力地证明了Ym2功能等位基因对WYMV的有效抗性。
通过系统发育分析，本研究进一步揭示了Ym2基因的进化来源。所有来自小麦的功能型和部分非功能型Ym2序列与来自Ae. sharonensis的直系同源基因B37500聚为一支，而与来自Ae. speltoides和普通小麦的旁系同源基因B35800明显分开。这支持了Ym2基因是通过从Ae. sharonensis导入到小麦基因组中的观点，并且这一导入事件可能发生在野生二粒小麦形成之后。
一个尤为关键的发现是关于Ym2基因的地理分布。尽管在分析和验证的材料中，所有14种功能型Ym2单倍型均存在于美国或日本种质中，但在所检测的122份广泛用于中国小麦育种项目的核心亲本材料中，没有一份携带任何功能型Ym2单倍型。这些中国种质携带的全是会导致蛋白质截短或完全缺失的非功能型等位基因。这一结果表明，Ym2这一有效的抗病毒基因资源尚未被中国小麦育种项目所利用。
综上所述，本研究发现小麦抗WYMV基因Ym2在种质资源中存在丰富的结构多样性，并证实了其功能等位基因能有效赋予对WYMV的抗性。更为重要的是，研究首次明确指出，尽管美国、日本等地的小麦已广泛利用Ym2进行抗病育种，但中国现行的主要育种亲本中普遍缺乏该基因的功能型等位变异。考虑到WYMV在中国黄淮海等冬小麦主产区危害严重，而当前中国品种主要依赖另一个位于2D染色体上的抗病基因Ym1（或称QYm.nau-2D），本研究揭示了将Ym2基因导入中国小麦育种程序的迫切性与巨大潜力。由于Ym1和Ym2分别识别病毒的不同组分并可能通过不同机制（分别作用于病毒外壳蛋白和抑制根部初始侵染）提供抗性，将这两个基因通过分子标记辅助选择（marker-assisted selection）聚合到同一个优良品种中，有望获得比单一基因更强的、甚至是完全的抗性，从而为中国乃至全球小麦应对WYMV的威胁提供更持久、更坚实的遗传解决方案。这项研究不仅深化了我们对植物抗病毒基因进化与功能的理解，更为小麦抗病育种提供了明确的基因资源和育种方向。该研究成果已发表于植物遗传与育种领域的权威期刊《Theoretical and Applied Genetics》。
