TAG 2025 | 小麦茎基腐病抗性遗传位点和候选基因的鉴定

本文于2025年1月发表于《Theoretical and Applied Genetics》期刊。研究由中国农业大学、四川农业大学、河北农业大学和澳大利亚CSIRO等单位合作完成，旨在鉴定小麦对小麦茎基腐病（Fusarium Crown Rot, FCR）的抗性遗传基础，并挖掘关键候选基因。

本研究以两个来源于中国小麦种质的重组自交系（RIL）群体为材料，主定位群体（2SY）由抗病亲本20828与感病亲本SY95-71杂交获得，用于QTL定位，验证群体（2BLS）由20828与感病材料BLS2构建，用于主效QTL的验证；所有材料在温室条件下接种镰刀菌病原菌WZ-8A，通过种子浸泡法进行人工接种，并在接种后42天依据叶鞘症状进行病害指数（DI）评估，每个试验重复三次；利用已有的Wheat55K SNP芯片构建的高密度遗传图谱，采用复合区间作图法进行QTL分析，并计算BLUP值以整合多环境数据；为挖掘候选基因，对抗感亲本接种后5天的茎基部组织进行转录组测序，并结合QTL区间内的基因注释和序列变异分析筛选差异表达基因；最后通过病毒诱导的基因沉默（BSMV-VIGS）技术在20828中沉默候选基因，结合RT-qPCR验证沉默效率，并比较沉默植株与对照的病害指数以确认基因功能。

研究结果

一、20828/SY95-71群体中茎基腐病（FCR）抗性的表型特征：

两个亲本在FCR抗性上存在显著差异：抗病亲本20828 的病害指数（DI）为27.50–31.50（BLUP = 31.67），而感病亲本 SY95-71 为45.67–50.50（BLUP = 47.46）。RIL群体的DI值范围为17.08–77.86，呈连续分布，符合数量性状遗传特征。三个试验的广义遗传力（H²）为0.84，说明抗性主要由遗传因素控制，环境影响较小。

图 S1

二、在2SY群体中鉴定到5个FCR抗性相关QTL

通过复合区间作图法在三个独立试验及BLUP整合分析中共鉴定出5个与FCR抗性显著相关的数量性状位点，分别位于染色体1B、2B、3A、5A和7D上；其中位于1B染色体短臂的QTL被命名为Qfcr.cau-1B，其抗性等位基因来源于亲本20828，在所有三个试验及BLUP分析中均稳定检出，LOD值最高达10.99，可解释高达28.33%的表型变异，是本研究中效应最大且最稳定的主效QTL，其遗传区间为3.5–10.5 cM，对应中国春参考基因组v1.1的物理位置为7.1–14.7 Mb；此外，Qfcr.cau-3A在两个试验及BLUP中被检测到，最大PVE为10.62%，也表现出一定的稳定性；而其余三个QTL（Qfcr.cau-2B、Qfcr.cau-5A和Qfcr.cau-7D）仅在单一环境或BLUP数据集中显著，表明它们可能对环境较为敏感，效应相对不稳定。

图1 与1B 染色体上的茎基腐病抗性相关的QTL

三、Qfcr.cau-1B在2BLS群体中得到验证

研究利用由抗病亲本20828与感病材料BLS2构建的83个F5代重组自交系（2BLS群体）进行独立验证，通过将与该QTL紧密连锁的SNP标记AX-110490405开发为STARP功能标记STARP0405对群体进行基因分型，并依据是否携带20828来源的抗性等位基因将株系分为两组，结果显示携带抗性等位基因的38个株系平均病害指数为38.09，显著低于携带感性等位基因的45个株系（平均病害指数44.00），两组间差异达13.42%且达到极显著水平（P < 0.01），充分证实Qfcr.cau-1B在不同遗传背景下仍能有效降低茎基腐病的严重程度，具有良好的稳定性和育种应用潜力。

图2 Qfcr.cau-1B.1 对 20828/BLS2 群体的影响

四、Qfcr.cau-1B区间内的候选基因筛选

为挖掘Qfcr.cau-1B区间内的功能候选基因，研究结合转录组测序、序列变异分析和qPCR验证，在该QTL对应的7.1–14.7 Mb物理区间内筛选出三个在接种镰刀菌后差异表达的基因（TraesCS1B02G017700、TraesCS1B02G016400和TraesCS1B02G022300），其中TraesCS1B02G017700仅存在同义突变，而另两个基因在抗病亲本20828和感病亲本SY95-71之间存在多个非同义突变，且在20828中接种后显著上调，而在SY95-71中表达响应较弱或无明显变化，表明TraesCS1B02G016400和TraesCS1B02G022300更可能参与抗病调控，是Qfcr.cau-1B潜在的功能候选基因。

图3 20828和SY95-71中2个候选基因的相对表达量

五、通过VIGS验证候选基因功能

为在功能层面验证候选基因的作用，研究利用大麦条纹花叶病毒诱导的基因沉默（BSMV-VIGS）技术在抗病亲本20828中分别沉默TraesCS1B02G016400和TraesCS1B02G022300，结果显示，沉默TraesCS1B02G022300的植株在接种镰刀菌后病害指数显著升高至49.10，远高于野生型（26.90）和空载体对照（30.00），且差异极显著（P < 0.01），而沉默TraesCS1B02G016400的植株病害指数与对照无显著差异，表明TraesCS1B02G022300在小麦抵抗镰刀菌冠腐病过程中发挥关键的正向调控作用，是Qfcr.cau-1B最有力的功能候选基因。

图4 VIGS结果

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