《The Crop Journal》：Fine mapping of
QLr.caas-5AL for adult-plant resistance to leaf rust in wheat
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小麦叶锈病是威胁全球粮食安全的重要病害。本文推荐一篇发表于The Crop Journal的研究，该研究通过精细定位，成功将一个小麦成株期叶锈病抗性数量性状位点（QTL）QLr.caas-5AL缩小至5A染色体上一个794.8-kb的物理区间，鉴定出三个候选基因，并开发了可用于分子标记辅助育种（MAS）的KASP标记，显著提升了小麦抗叶锈病育种的效率与潜力。
在全球人口持续增长与耕地面积缩减的双重压力下，保障粮食安全面临严峻挑战。作为全球主要的口粮作物，小麦为人类贡献了约20%的热量与蛋白质。然而，一种名为叶锈病的真菌性病害，由其病原菌叶锈菌（Puccinia triticinaEriks.， Pt）引起，常年肆虐于全球各小麦主产区，造成严重的产量损失与经济损害。传统依赖化学药剂的防治方法不仅成本高昂，还对环境构成威胁。因此，培育具有遗传抗性的小麦品种，成为更为经济、环保且可持续的解决方案。
小麦对叶锈病的抗性主要分为两类：苗期或全生育期抗性（ASR）和成株期抗性（APR）。ASR通常由单个或少数主效基因控制，针对特定病原菌小种有效，但其抗性易因病原菌小种变异而“失效”。相比之下，APR在苗期通常表现为感病，但在成株阶段表现出抗性。这种抗性可以是小种特异性的，由单基因控制；也可以是小种非特异性的，由多个微效基因以数量性状方式遗传，后者通常被认为能提供更为持久和广谱的抗性。因此，挖掘和利用优异的APR基因，对于培育具有持久抗性的小麦品种至关重要。
中国广泛种植的两个优良小麦品种中麦175和轮选987，在苗期温室鉴定中对叶锈菌均表现感病，但在田间成株期，中麦175表现为中抗，轮选987表现为中感。这暗示中麦175可能携带未被鉴定的成株期抗性基因。为了揭示其遗传基础，一个由中国农业科学院作物科学研究所夏先春研究员团队领衔的研究小组，以中麦175和轮选987杂交衍生的重组自交系（RIL）群体为材料，展开了一项系统研究。该研究成果最终发表于国际知名期刊《The Crop Journal》上。
为了解析中麦175的成株期叶锈病抗性遗传机制，研究人员综合运用了多种现代遗传学研究手段。首先，他们构建了中麦175 × 轮选987的RIL群体，并在四个不同环境（河南郑州与河北保定，连续两个生长季）的田间进行了成株期叶锈病抗性表型鉴定，记录了最大病情严重度（MDS）。利用小麦50K SNP芯片对该群体及亲本进行基因分型，构建了高密度遗传连锁图。通过数量性状位点（QTL）作图，在四个环境中稳定检测到三个叶锈病抗性QTL，分别命名为QLr.caas-2AS、QLr.caas-2DS和QLr.caas-5AL。其中，QLr.caas-5AL是一个效应稳定但尚未被精细定位的新位点，其抗性等位基因来源于中麦175。
研究团队随后对QLr.caas-5AL展开了精细定位。他们利用在目标区间为杂合的重组体，与中麦175回交，构建了次级定位群体（BC1F2:3）。基于亲本重测序和已有芯片数据，在目标区间内开发了19个竞争性等位基因特异性PCR（KASP）标记。通过对次级群体进行精细基因分型和抗性表型鉴定，成功将QLr.caas-5AL界定在5A染色体长臂上一个仅794.8千碱基对（kb）的物理区间内（523.6 – 524.4 Mb，参考中国春基因组v1.1）。此外，为了验证该位点在更广泛种质中的遗传效应，研究人员利用与QLr.caas-5AL紧密连锁的KASP标记，对一个包含221份国内外小麦品种的自然群体进行了基因型-表型关联分析。在鉴定候选基因阶段，他们结合基因组重测序，分析了目标区间内18个高置信度注释基因在双亲间的序列变异，并通过对接种叶锈菌后的亲本旗叶进行RNA测序（RNA-seq），分析了这些基因的表达差异。
3.1. 温室苗期叶锈病反应
在温室苗期，中麦175和轮选987对测试的六个叶锈菌小种中的五个均表现感病，表明两者在苗期缺乏有效的全生育期抗性基因。这与其在田间的成株期抗性差异形成对比，提示抗性可能来自于成株期特异性表达的基因。
3.2. RIL群体的叶锈病抗性表型分析
田间表型数据显示，RIL群体的叶锈病严重度呈连续分布且存在显著的超亲分离，表明抗性由多基因控制。广义遗传力高达0.93，说明表型变异主要受遗传因素影响。
3.3. 叶锈病抗性的QTL定位
QTL定位结果证实了三个稳定的抗性位点。其中，QLr.caas-2AS和QLr.caas-2DS分别与已知抗叶锈病基因Lr37和Lr22a的物理区间重叠，而QLr.caas-5AL被定位在5AL染色体上，是一个新的抗性QTL，在四个环境中平均可解释1.9-8.5%的表型变异。
3.4. 稳定QTL的抗性聚合效应
研究人员分析了三个QTL的抗性等位基因聚合效果。结果显示，携带抗性等位基因数量越多的RIL家系，其叶锈病严重度平均值越低。同时聚合了三个位点抗性等位基因的家系，其平均病情严重度最低，显著优于不携带任何抗性等位基因的家系，证明了通过分子标记辅助选择聚合多个微效抗性QTL是增强小麦持久抗病性的有效策略。
3.5. 用于精细定位QLr.caas-5AL的次级群体构建
为了精细定位QLr.caas-5AL，研究选择了一个在目标区间与中麦175基因型不同但遗传背景相似的家系ZL-10，与中麦175杂交构建了次级分离群体，从中筛选出在目标区间发生重组的单株用于后续分析。
3.6. QLr.caas-5AL的精细定位
利用开发的系列KASP标记对次级群体进行精细基因分型和表型鉴定，通过分析重组个体的基因型与抗病表型的共分离关系，最终将QLr.caas-5AL定位在KASP523和KASP524两个标记之间的794.8 kb区间内。
3.7. QLr.caas-5AL的候选基因
目标区间内共包含18个高置信度注释基因。通过基因组序列比对和转录组表达分析，筛选出三个同时具备亲本间序列多态性和差异表达模式的基因作为QLr.caas-5AL的候选基因，分别是：TraesCS5A02G312700（编码F-box蛋白PP2-A13）、TraesCS5A02G312800（编码E3泛素连接酶BIG BROTHER）和TraesCS5A02G313000（编码葡萄糖醛酸木聚糖4-O-甲基转移酶1）。公共表达数据分析显示，这三个基因在穗部、叶片及病害侵染条件下均有较高表达，暗示它们可能参与宿主防御反应。
3.8. QLr.caas-5AL的遗传效应
利用紧密连锁标记KASP524对221份小麦品种自然群体进行基因分型，并进行关联分析。结果表明，在绝大多数测试环境中，携带中麦175等位基因的品种，其平均叶锈病严重度显著低于携带轮选987等位基因的品种。在自然群体中，中麦175抗性等位基因的频率为48.0%，且在国内外品种中均有较广泛分布，显示出良好的育种应用潜力。
该研究成功地将一个控制小麦成株期叶锈病抗性的微效QTL——QLr.caas-5AL精细定位到染色体5AL上一个狭窄的物理区间，并开发了可用于育种的KASP分子标记。这为最终通过图位克隆获得该抗性基因奠定了坚实基础。更重要的是，QLr.caas-5AL表现出小种非特异性、成株期表达的特性，与已知主效抗病基因聚合后能显著增强抗病水平，符合持久抗性的特征。研究所开发的KASP标记KASP524经过自然群体验证，与抗病表型显著相关，为小麦抗叶锈病分子标记辅助选择提供了一个高效、实用的工具。该标记的应用，将有助于育种家快速、准确地识别和聚合包括QLr.caas-5AL在内的多个优异抗性等位基因，从而加速培育具有广谱、持久叶锈病抗性的小麦新品种，对于保障小麦生产安全和可持续农业发展具有重要意义。
