小麦抗白粉病基因Pm68

硬粒小麦是小麦遗传改良的重要基因资源，已经从硬粒小麦中发掘出多个抗白粉病基因(硬粒小麦抗白粉病基因Mld、Pm3h和PmDR147)。近日，江苏大学何华纲课题组与烟台大学马朋涛教授和美国农业部西部研究中心顾永强(Yong Q. Gu)教授合作，从硬粒小麦中发掘出抗白粉病新基因Pm68，研究成果在线发表于作物遗传育种经典杂志《Theoretical and Applied Genetics》。江苏大学何华纲、刘任糠、烟台大学马朋涛为论文共同第一作者，江苏大学何华纲、朱姗颖副教授和美国农业部西部研究中心Yong Q. Gu教授为共同通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所、湖北省农业科学院等单位也参与了部分工作。

BgtYZ01是在扬州地区发现的强毒性白粉菌菌株，对目前大部分小麦抗白粉病基因的宿主材料具有毒性。为了发掘抗BgtYZ01菌株的种质资源，近年来课题组对小麦族各物种进行了广泛筛选。其中，从100份硬粒小麦中获得了1份抗白粉病品系TRI 1796。随后用不同采集地的22份菌株进行抗谱分析，发现TRI 1796在苗期高抗所有测试菌株，反应级别主要为IT 0;，即抗性反应伴随典型的肉眼可见的过敏反应（HR）。在2018-2020年进行多地抗病鉴定，发现TRI 1796在成株期也具有白粉病抗性，并且表现为免疫（图1）。

图1 硬粒小麦TRI 1796白粉病抗性

以抗病品系TRI 1796和感病品系PI 584832进行杂交，获得F₁、F₂和F₃家系。苗期白粉病鉴定显示，F₁植株也呈现过敏反应。F₂单株的反应级别为IT 0;或IT 0，抗、感单株分别为166株和58株，抗、感比例符合3:1（χ² = 0.10, P = 0.76）。进一步鉴定F₃家系表型，抗病纯合、抗病杂合和感病纯合的家系数目分别为56、110 和58，符合1:2:1（χ² = 0.19, P =0.91）。因此，TRI 1796的苗期抗性由一对显性基因控制，后正式命名为Pm68。

对TRI 1796/PI 584832杂交组合的F₂单株进行苗期抗白粉病鉴定的基础上，用50个抗病单株和50个感病单株分别构建抗池和感池，以硬粒小麦品种Svevo的基因组为参考，进行BSR-Seq分析，揭示出116个SNP可能跟Pm68抗性有关，其中42个SNP位于2B短臂16.2 Mb – 24.8 Mb区间（图2）。

图2 Pm68基因BSR-Seq分析

获取硬粒小麦Svevo和Kronos基因组中候选区域的低拷贝基因，在序列比对分析的基础上，针对与Pm68相关的InDel区域设计了171对引物，共获得18个在两个亲本之间呈现共显性的多态分子标记（Xdw01 – Xdw03、Xdw05 – Xdw19），另外还有一个SNP标记（Xdw04）（图3）。然后对224个F₂单株进行基因分型和遗传作图，将Pm68基因定位在Xdw04和Xdw12/Xdw13之间，这两个分子标记与Pm68的遗传距离均为0.22 cM。此外，有7个分子标记（Xdw05 – Xdw11）与Pm68共分离，其中Xdw06、Xdw07和Xdw08都是RGA（resistance gene analog）标记（图4）。

图3 Pm68基因的连锁分子标记

图4 Pm68基因的遗传图谱和比较基因组学图谱

距离Pm68基因最近的两侧分子标记为Xdw04和Xdw12分别对应Svevo参考基因组中的TRITD2Bv1G010030（Chr2B: 21587671 – 21591163）和TRITD2Bv1G010880（Chr2B: 23374401 – 23375310），因此，Pm68位点在Svevo参考基因组中的对应位置为1.78 Mb，该区域共有84个基因，其中23个为抗病相关基因，包括8个NBS-LRR类抗病基因，6个胞吐复合体亚基基因，2个LRR受体类蛋白激酶基因，以及凝集素受体激酶基因、受体蛋白激酶基因、F-box蛋白基因、细胞壁相关激酶基因、几丁质酶基因和热激蛋白90基因各1个。

进一步分析发现，这些硬粒小麦基因在中国春2B染色体上都存在直系同源等位基因，两者的8个NBS-LRR类抗病基因的序列一致性高达99% – 100%，此外，19个基因在两个物种的2B染色体上保持了良好的共线性。有22个基因在野生二粒小麦Zavitan中也都有直系同源基因，但序列一致性稍低（75% – 100%）。有20个基因在乌拉尔图小麦基因组中可以找到直系同源基因，但序列一致性更低（68% – 97%），微共线性关系较差。此外，大部分基因在节节麦基因组中没有匹配序列。这表明，预测的候选基因在B基因组中高度保守。

总结而言，本文报道了一个来源于硬粒小麦TRI 1796的苗期抗白粉病基因Pm68，定位于2BS染色体末端，从基因的显隐性关系、抗谱差异、遗传图谱等角度证实了它是一个新基因，为该基因的精细定位和图位克隆奠定了基础。硬粒小麦对小麦白粉病的抗性较差，本文发现的高抗品系TRI 1796在硬粒小麦抗白粉病育种中具有重要价值，开发的分子标记可用于辅助选择育种。硬粒小麦与普通小麦比较容易杂交，经多次回交可获得稳定后代，因此，Pm68基因在小麦抗白粉病育种中也具有潜在的应用价值。在2BS染色体上已经发现了多个抗白粉病基因，如Pm26、Pm42等，聚合和重组这些不同的抗白粉病基因到优良遗传背景的小麦品种中有助于实现白粉病抗性的持久性。此外，从成株抗性和苗期抗性的反应级别存在差异来看，TRI 1796中可能还存在一个白粉病成株抗性基因，这有待进一步探明。

参考文献

Huagang He, Renkang Liu, Pengtao Ma, Haonan Du, Huanhuan Zhang, Qiuhong Wu, Lijun Yang, Shuangjun Gong, Tianlei Liu, Naxin Huo, Yong Q. Gu and Shanying Zhu (2020) Characterization of Pm68, a new powdery mildew resistance gene on chromosome 2BS of Greek durum wheat TRI 1796. https://doi.org/10.1007/s00122-020-03681-2.