揭示无芒山羊草Ph系统是外源基因导入小麦的“高效助推器”

小麦有许多外源物种，具有丰富的遗传变异，是拓宽小麦遗传多样性的优良基因库。然而，大多数外源物种的染色体与小麦染色体部分同源，在Ph系统介导的二倍化配对行为规则下，小麦-外源染色体难以实现配对重组，极大地限制了外源物种优良基因的遗传转移。目前，实现外源基因转移主要依赖于Ph突变体的染色体工程策略。其中，ph1b突变体因其诱导效应强，能够在减少连锁累赘的同时实现外源基因的靶向导入而得到广泛应用。然而ph1b为隐性基因，实际应用中需要多轮杂交、自交/回交，使其纯合才能发挥作用，步骤繁琐、费时耗力，导致效率不高。在一些小麦的野生近缘种中存在控制染色体配对重组的Ph系统，这些系统具有显性遗传特征，在Ph1存在的情况下仍能诱导小麦-外源染色体配对重组，其中无芒山羊草的Ph系统因其诱导效应强，展现出良好的应用潜力。

近日，四川农业大学刘登才教授/袁中伟副教授团队在The Crop Journal在线发表了题为“Mapping and introgression of all-stage stripe rust resistance gene Yr1T from Aegilops mutica into common wheat using a dominant Ph1-suppression system”的研究论文。该研究以无芒山羊草条锈病抗性基因转移为案例，系统评价了无芒山羊草Ph1抑制系统在外源基因定位及靶向转移中的应用效率。结果表明，该系统具有诱导效应强、操作简便、筛选效率高等优势，是外源基因转移的高效新工具。

研究团队首先对无芒山羊草进行了条锈病抗性鉴定。结果显示，抗病材料无论苗期还是成株期，均对条锈病免疫，表现出典型的全生育期抗性。更重要的是，将其抗性导入感病四倍体小麦Langdon后，创制的双二倍体依然保持了高抗特性（图1）。这证实了无芒山羊草的抗性基因可在小麦遗传背景下稳定表达，是一个具有育种价值的优异抗源。

图1 无芒山羊草（A~D）、Langdon（E, F）及其双二倍体（G~J）条锈病抗性鉴定

在Langdon×无芒山羊草抗病双二倍体自交获得的S₂群体中，研究者观察到明显的抗感分离。选取典型的抗病和感病单株进行细胞学鉴定，结果显示，感病材料均缺失无芒山羊草的1T染色体（图2）。通过开发1T特异分子标记对群体材料进行鉴定，发现所有抗病植株均携带1T特异标记，而感病植株则缺失这些标记。进一步利用含单条1T的双二倍体S₂单株自交构建S₃群体，分子标记检测证实，1T染色体的存在与抗病表型完全连锁，表明无芒山羊草1T染色体至少携带一个条锈病抗性基因，将其命名为Yr1T。

图2 Langdon×无芒山羊草双二倍体抗感S₂植株细胞学鉴定抗病单株（A~D），感病单株（E~H）。

为定位和转移Yr1T，研究者以Langdon×无芒山羊草抗病双二倍体为母本，与感病普通小麦铭贤169（MX169）杂交，创制具有AABBTD基因组构成的遗传材料。在F₁减数分裂时期，借助无芒山羊草携带的显性Ph1抑制系统，诱导1T与小麦1同源群染色体发生配对重组，实现Yr1T的定位与转移。通过F₁自交（仅经历一次减数分裂过程），获得了100个单株的F₂筛选群体。利用分子标记，筛选获得6个重组单株，重组频率达到6%。对其中长势良好的4株（1株抗病，3株感病）进行细胞学验证，结果与分子标记鉴定一致，证实了重组事件的发生（图3）。

图3 重组单株细胞学及条锈病抗性鉴定

（A~C）为抗病植株，（D~L）为感病植株。

为精确界定重组断点，研究人员对上述4个重组单株进行RNA-seq分析。结合抗病表型及无芒山羊草参考基因组数据，绘制了重组断点模式图，最终将Yr1T定位于1T染色体靠近着丝粒区域约20 Mb的物理区间内（无芒山羊草参考基因组单倍型I：204~224 Mb；单倍型II：219-239 Mb）（图4）。该研究证实，无芒山羊草Ph1抑制系统在外源基因定位与靶向转移中具有简洁、高效的特点，是一个值得深入研究和开发的染色体工程系统。

图4 1T染色体重组模式与断裂点分析

作者和基金项目

四川农业大学硕士研究生向文和博士研究生杨明锐为该论文共同第一作者，刘登才教授和袁中伟副教授为共同通信作者。该研究得到国家重点研发计划项目（2024YFD1201202）、四川省科技计划项目（2021YFYZ0002）和四川省农业农村厅创新研究团队项目（SCCXTD-2024-11）的资助。