四倍体长穗偃麦草抗条锈病基因Yr4EL的精细定位及育种利用

小麦条锈病是威胁全球小麦生产的主要病害之一，严重影响小麦的产量和品质。由于病原菌生理小种不断变异进化，导致已有的抗病基因相继失效。因此不断发掘抗病新基因，培育抗病品种，是防控该病害绿色高效的途径。

近日，四川农业大学小麦研究所康厚扬研究组在《Plant, Cell & Environment》发表了题为“Fine Mapping of the All‐Stage Stripe Rust Resistance Gene Yr4EL and Its Utilization in Wheat Resistance Breeding”的研究论文，成功将野生种质资源四倍体长穗偃麦草的全生育期抗条锈病新基因Yr4EL精细定位至1.8 Mb区间并对候选基因进行分析，通过染色体工程技术培育出携带Yr4EL的易位系材料，该易位系全生育期高抗条锈病且无明显的连锁累赘，为小麦抗条锈病育种提供了宝贵基因资源和育种材料。

一、4E染色体易位（缺失）系创制

团队前期研究发现四倍体长穗偃麦草4E染色体携带全生育期抗条锈病基因Yr4EL。通过60Co-γ辐射、ph1b基因诱导同源重组和双单体着丝粒断裂融合三种技术，成功创制140株4E染色体变异单株，涵盖缺失、易位和插入等90种不同类型4E染色体结构变异，包含20个4E染色体缺失系，14个4E染色体大片段易位系，19个4E染色体整臂易位系，10个4E染色体插入系，27个4E染色体端部小片段易位系（图1）。

二、Yr4EL精细定位

对24株具有单一染色体变异类型的单株进行苗期条锈病鉴定，所有携带4E染色体短臂的单株高感条锈病而携带长臂的单株高抗条锈病。其中，4EL端部小片段易位系T4DS·4DL-4EL和T5AS·5AL-4EL高抗条锈病而4EL端部缺失系T4ES·4EL-5AL和Del4E-13高感条锈病（图2）。

根据二倍体长穗偃麦草参考基因组开发59对4E染色体特异分子标记，并对15个典型易位（缺失）系进行分子标记分析，构建了由15个bin组成的高分辨率4E染色体物理图谱, 4E染色体短臂包含6个bin（bin1-bin6），长臂包含9个不同的bin（bin7-bin15）, 15个bin对应参考基因组不同的区间大小（图3）。基于物理图谱、细胞学和表型鉴定，最终将Yr4EL定位到bin14，对应二倍体长穗偃麦草参考基因组4EL染色体末端1.8Mb（610.2-612.0 Mb）区间（图2-4）。

三、Yr4EL候选基因分析

基于二倍体长穗偃麦草参考基因组，Yr4EL定位区间内共有38个高可信度基因。转录组测序数据显示其中有16个基因表达，5个基因（Tel4E01G642200，Tel4E01G644300，Tel4E01G644400，Tel4E01G646300和Tel4E01G646500）存在抗病相关结构，分别编码含WD重复序列蛋白、含锌指CCCH结构域蛋白、含CC跨膜结构域蛋白、Trihelix家族转录因子和F_box LRR蛋白。

进一步利用这5个基因与114个小麦族中已克隆抗病基因的蛋白序列构建系统发育树，发现5个基因均与已克隆的抗病基因具有较近的亲缘关系（图5）。对5个基因在接菌后不同时期进行qRT-PCR验证，发现5个基因在接菌前后均能正常表达，部分基因能够响应病原菌调控（图6）。后续将利用突变体测序技术对候选基因进行进一步验证。

四、Yr4EL育种应用价值

对抗条锈病易位系T4DS·4EL连续自交获得的高代材料K24-125进行农艺性状的评估，K24-125不仅抗条锈病表现稳定，还在小穗数、穗粒数、千粒重和分蘖数等关键产量性状上优于亲本，无明显遗传累赘（图7）。

该研究不仅成功挖掘了新的全生育期抗条锈病基因Yr4EL，明确了其定位区间和候选基因，更实现了从“基因发掘”到“育种转移”的同步推进；将有效丰富小麦抗条锈病基因库，为培育持久抗病、高产优质小麦新品种提供支撑。