粗山羊草抗白粉病新基因的精细定位与分子标记辅助转移

Powdery mildew, caused by Blumeria graminis f. sp. tritici, is one of the major diseases of wheat in China. Aegilops tauschii (Coss.) Schmal., as the D genome donor of common wheat, harboring many useful genes, such as disease resistance genes, stress tolerance genes and so on, especially resistance to powdery mildew, plays an important role in wheat improvement. In our previous study, two novel powdery mildew resistance genes were discovered from Aegilops tauschii accesstions 2147 and D.I.V.16185, respectively. The resistances conferred by 2147 and D.I.V.16185 were both controlled by single dominant gene based on the genetic analysis of F2:3 populations. Subsequently, the target genes were placed on the short arms of chromosomes 5D and 3D using DNA markers, respectively. In this study, the aims are (1) to precisely map the powdery mildew resistance genes, PmAe2147 and PmAe16185 derived from Ae. tauschii, (2) to transfer the powdery mildew resistance genes from Ae. tauschii to common wheat through remote hybridization and backcrossing, (3) and to develop wheat elite breeding materials by pyramiding different powdery mildew resistant genes into adapted wheat genetic backgrounds by marker-assisted selection and phenotypic selection.

小麦白粉病是影响小麦生产的重要病害之一。粗山羊草作为小麦D基因组供体，具有抗病、抗逆、优质等性状特点，其对白粉病的抗性尤为突出，是小麦遗传改良的重要基因资源。我们前期抗病性鉴定和遗传分析表明：粗山羊草2147和D.I.V.16185对白粉病免疫，其抗性均是由单显性基因控制的，分别定位在3DS 和5DS染色体臂上。抗病基因遗传位点比较分析发现二者均为新的抗白粉病基因，分别命名为PmAe2147和PmAe16185。在此基础上，本研究拟利用粗山羊草D基因组序列、小麦EST序列以及水稻和短柄草基因组序列，在目标基因区段内开发新的分子标记，利用一定规模的分离群体对抗病基因进行精细定位。同时，将感病小麦品种与粗山羊草杂交并回交，分子标记辅助转移粗山羊草抗白粉病基因，创制抗白粉病小麦新种质，并与当前载有有效抗白粉病基因的小麦品种聚合杂交，实现两个或多个抗白粉病基因的分子聚合，创制持久抗性的小麦新种质。

本项目利用白粉病菌E09小种对159份粗山羊草进行苗期和成株期抗性接种鉴定；其中有92份均对白粉病菌表现不同程度的抗病性，其余均表现感病。从92份抗病粗山羊草中选择4份对白粉病免疫的材料（D.I.V.16185、2147、2115和Ku-2074）和1份高感白粉病材料（AL8/78）分别进行杂交，创建了4个F2分离群体。采用SSR标记对4份粗山羊草中的抗白粉病基因分别进行了初级定位，结果表明4个抗白粉病基因均位于染色体5DL上。. 本项目利用进一步利用9100株2147和AL8/78的F2分离群体对Pm35进行了精细定位，最终将该基因定位在标记Xsdauc11和Xsdauc21之间，遗传距离为0.11cM，对应到粗山羊草AL8/78参考基因组上物理距离约110Kb。结合10×Genomics测序技术和PCR重叠覆盖等方法，构建了Pm35基因区域的物理图谱，并筛选到1个候选基因LRR-Gene3。该区间在抗病亲本中存在一个5363bp的缺失，导致其中一个抗病相关NBS-LRR基因C端产生结构变异，推测该基因有可能是Pm35的候选基因。. 对234份粗山羊草自然群体中抗病基因Pm35的结构变异区进行PCR扩增和测序鉴定，在供试粗山羊的该基因区域共检测到57个SNPs和8个Indels，共组成了10种单倍型。发现凡是携带5363bp缺失变异的粗山羊草均抗白粉病。经转基因及BSMV-VIGS功能验证，确定了对候选基因的推测，并推测该基因C端的结构变异有可能是导致其产生抗病性的关键区域。以抗白粉病粗山羊草2147与感白粉病的不同小麦品系（SN3050、SN311750和SN7064）分别进行杂交，通过回交与自交，结合分子标记辅助选择，获得白粉病抗性提高的小麦材料。利用开发的与抗白粉病基因紧密连锁的分子标记在回交后代进行辅助选择，验证了KASP功能标记应用于辅助选择的有效性，为小麦抗白粉病育种奠定了材料基础。