PBJ | 关联分析鉴定节节麦和小麦中赤霉病抗性的关键QTL位点

小麦赤霉病（FHB）是小麦最具破坏性的病害之一，严重危害小麦的产量和品质. FHB耐药性可分为两个部分，即对初始感染的耐药性（I型）和对真菌传播的耐药性（II型）.镰刀菌属致病真菌的传播会生产积累在谷物中的霉菌毒素从而对食品和饲料安全构成严重威胁，其中B型镰刀菌毒力因子（DON）最为普遍，DON具有植物毒性，并作为毒力因子促进真菌在小麦穗部的传播，所以DON抗性也可以被看作是II型抗性的一个组成部分.节节麦（又称粗山羊草）是禾本科山羊草属一年生草本植物，作为六倍体小麦 D 亚基因组（基因组AABBDD）供种,其中蕴藏着许多优异基因.近年来，研究人员基于242份节节麦的材料测序结果成功绘制了二倍体节节麦基于k-mer的关联作图分析，确定了一些抗病虫害候选基因并通过转基因和广泛杂交方法证明了其向小麦的转移.因此，节节麦是小麦抗病基因发掘以及遗传育种改良的宝贵遗传资源.目前解析的几个DON解毒机制中，DON-3-O-葡萄糖苷（D3G）和UDP介导的葡糖基转移酶（UGTs）在小麦FHB抗性研究中最为重要，但其在节节麦的抗性情况尚未被研究。

2022年9月19日，国际著名杂志Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了题为“Identification of a UDP-glucosyltransferase conferring deoxynivalenol resistance in Aegilops tauschii and wheat”的研究论文。在这项研究中，作者利用已开发的基于K-mer的关联图谱分析，剖析了节节麦中FHB和DON抗性的遗传基础，研究DON解毒为D3G的机制进而鉴别到节节麦的D亚基因组供体中的候选抗性基因，为小麦的抗性育种提供了新的研究思路。

作者对147份节节麦材料和两个六倍体对照系CM82036（抗性材料），Remus(敏性材料)的FHB和DON进行了抗性评估，展示了FHB和DON诱导的漂白严重程度（FHB/DON严重程度）的持续变化.研究发现，FHB严重程度倾向于敏感性，没有材料显示出类似高抗性六倍体对照CM82036的抗性。另一方面，DON诱导漂白的抗性结果显示（DON抗性），大多数材料仅在渗透小穗上形成典型的稻草状颜色，同样没有材料达到CM82036的抗性水平（即穗上没有显示任何DON诱导的漂白症状）.鉴定发现其中有9份材料的DON渗透出现了严重的漂白症状，甚至比Remus更高。此外，这些材料在其他几个农艺性状上表现出很大的多样性，例如开花日期、每穗小穗数和株高，进一步分析证实，FHB抗性水平独立于开花日期、每穗小穗数，仅与株高弱相关，株高与FHB严重程度呈弱正相关，并且与通常观察到的关系相反，较高基因型往往更具抗性。

对上述9份最易受DON影响的材料和22份随机选择的中等抗性材料进行DON和D3G含量分析发现，D3G与DON的比值在不同品种间差异显著，与DON严重程度呈显著负相关，这意味着抗性最高的品种具有最高的DON到D3G的转化率。在高抗性六倍体对照系CM82036中，几乎所有渗入的DON都转化为D3G，导致D3G的数量比DON高10倍。最具抗性的DON材料的D3G/DON比值则接近于1，敏感材料的比值在0.2左右。

基于全基因组序列和k-mer关联图谱管道关联数据分析发现与DON严重性强相关的k-mers映射到两个基因类别，它们是DON抗性中众所周知的关键角色：一个UDP介导的葡萄糖基转移酶（UGT）和两个 ABC转运体.这两种ABC转运体仅有内含子变异体和一个同义突变（T113T）在耐药和易感类别之间存在多态性，由于缺乏功能变异，这些基因很可能在该位点的DON抗性中不起作用，因此，作者重点对UGT候选基因进行功能分析。

对147份材料进行序列比对时发现，在UGT的编码区存在七个突变进而产生了四种等位蛋白变体，其中存在的一个单核苷酸缺失导致基因移码突变，终止密码子提前表达使得346个氨基酸蛋白质被截短，该截短蛋白仅存在于九份DON敏感性最高、DON转化率最低的材料中. 异源表达该基因来进行功能鉴定，结果发现UGT的截短蛋白不具备对DON的抗性，而全长等位基因对DON表现出强大的活性.节节麦的UGT基因与大麦UGT HvUGT13248同源，具有高度序列相似性（90%同源性），并且位于染色体的着丝粒附近，表明该基因具有高度保守的DON抗性机制。

总的来说，这项研究证明了基于k-mer的关联图谱在剖析定量遗传的FHB抗性的遗传控制方面的适用性，并在染色体上确定了一个DON抗性QTL。该基因座上的UGT基因AET5Gv20385300的突变影响了DON结合到D3G的能力。因此，该基因的截短版本六倍体小麦基因型中存在的UGT（TraesCS5D01G143300）可能会增加了对毒素的敏感性，从而增加了对DON的敏感性.作者将分析集中在D亚基因组供体节节麦上，与六倍体小麦相比复杂性大大降低，进一步加深了对FHB抗性的复杂遗传机理的认知。

原文链接：

 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13928

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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