小麦持久抗条锈病主效基因YrRC-4BL的精细定位及候选基因分析

The biotrophic fungal pathogen Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst), the causal agent of stripe rust or yellow rust (YR), is one of the most important diseases threatening wheat production in China. The acceleration of stripe rust resistance is the prior choice for limiting disease epidemics and minimizing the economic losses caused by the disease. Breeding for durable resistance cultivars depends upon the availability of resistance resources. Wheat cultivar P10103 derived from CIMMYT displays high resistance to stripe rust in our fields more than ten years. In our previous study, we have dissected the genetic basis of its high resistance to stripe rust and preliminarily mapped a major QTL, temporarily named YrRC, spanning the interval of more than 7 cM on terminal of chromosome 4BL. The gene YrRC confers broad-spectrum resistance as effective as Yr18 and it has potential utilization value for wheat breeding. The objectives of the present project are: (1) to employ both BSR-Seq and whole genome resequencing approaches to refine the genomic region of YrRC, (2) to identify the candidate genes associated with resistance, (3) to develop robust DNA markers that can be reliably used for marker-assisted selection in wheat breeding programs.

小麦条锈病严重影响我国小麦稳产、高产。培育持久稳定的抗病品种是防控条锈病最经济、有效的措施。普通小麦品系P10103对条锈病保持抗性近40年，前期成功在其4BL染色体上定位一个稳定的主效抗病基因YrRC，经条锈菌多小种鉴定发现，YrRC呈现典型的成株期广谱抗性，且抗性效果优于广谱抗病基因Yr18。本项目拟开展YrRC精细定位及其高效利用的工作，包括：1）通过BSR-Seq和重测序技术开发分子标记并结合大规模遗传群体精细定位YrRC，明确功能区段的组成，初步选定候选基因；2）结合紧密连锁标记、候选基因的重要信息及单倍型分析，开发YrRC辅助选择标记，用于该抗源的定向转育及分子聚合育种；3）利用高代近交系分析YrRC在不同遗传背景下抗性效应及其与产量、品质等性状的关系，评估YrRC在小麦改良中的应用价值。研究结果将会极大地促进持久抗病基因YrRC的克隆及其在分子改良育种中的高效利用。

条锈病一直是我国小麦生产的最重要真菌病害之一，常年可造成数万吨的损失。培育抗病性持久稳定的小麦品种是控制条锈病、保障粮食安全最经济、环保的措施。然而我国当前的有效抗源、特别是广谱持久抗源匮乏，因此，发掘和利用新的持久抗病基因资源以提高作物抗病性已刻不容缓。. 来自国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）的小麦材料P10103在墨西哥对条锈病始终保持抗性已近40年，在我国多地经15年的田间调查，对条锈病也一直具有高水平的成株期抗性。通过遗传定位，在P10103材料中染色体4BL上鉴定出一个主效的抗病位点YrRC，通过条锈菌多个小种的测试，该位点抗性效果与成株期抗病基因Yr18相当，都具有持久、广谱抗病特点。围绕YrRC抗病基因，首先通过构建次级分离群体开展精细定位工作，将YrRC基因定位于分子标记AQP-983和AQP-208之间，物理区间在1.5 Mb左右，同时，利用411份来自CIMMYT和ICARDA春小麦材料，通过全基因组关联分析在YrRC重叠区域也发掘出显著差异SNP，根据精细定位和GWAS结果，结合抗源亲本的小麦孕穗期接种条锈菌后的转录组数据，将候选区间24个基因以及持久抗病基因Yr18和Yr46及其同源基因调取出来，分析其接种前后的转录情况，发现一部分候选基因的表达模式与Yr18和Yr46相同，在抗感对照中也差异表达，根据中国春基因注释信息，差异表达的候选基因中有编码蛋白激酶（Protein kinase）、尿苷二磷酸半乳糖转运蛋白（UDP-galactose transporter）、参与脂肪酸代谢（2-oxoglutarate (2OG) and Fe(II)-dependent oxygenase superfamily protein）等，但都与已克隆的持久抗病基因结构不同，这些结果为下一步候选基因的筛选克隆奠定了坚实的基础。此外，根据GWAS中单倍型结果，开发YrRC特异性的分子标记，通过分子标记辅助选择将YrRC聚合瑞华麦520/丰德存麦12号衍生的重组自交系中，选出优良抗病基因聚合系瑞丰918，参与培育的抗病优良的品种西农865和西农863通过审定，并实现品种转化，有力的促进了我国小麦条锈病抗性育种的遗传改良。