原创解读 | The Crop Journal-小麦抗叶锈病基因Lr42标记的开发

2021年4月6日，The Crop Journal在线发表了题为“Development of diagnostic markers for a wheat leaf rust resistance gene Lr42 using RNA-sequencing”的研究论文。作者基于候选基因序列的多态性分析和RNA-seq开发了新的分子标记，该标记能够高效地检测抗叶锈病基因Lr42，从而提高育种效率。

叶锈病，由真菌 Puccinia triticina Erikss引起，是小麦最严重的叶面病害之一，它会极大地限制小麦的光合作用，影响灌浆，严重时会造成小麦产量减产40%以上。而种植抗性材料是应对这项挑战最经济和最有效的方式。至今已报道的抗叶锈病基因和QTL位点超过了100个，其中正式命名的有79个（Lr1-Lr79）。Lr42源于Aegilops tauschii Coss. 品系TA2450，是一个全生育期抗病基因，已被成功应用于小麦育种工程。先前有研究利用SSR标记将该基因定位在染色体1DS远端，并通过重组自交系将其定位于一个3.7 cM的区间内（两侧标记为TC387992和 WMC432）。为了开发经济有效的标记，在多样的种质中高通量地筛选含Lr42的改良材料，作者开展了如下研究：

首先作者参考中国春基因组和Ae. tauschiic基因组，分析了标记TC387992和 WMC432区间内的高置信度基因，基于RNA-seq的差异表达分析和基因的编码信息，将AETGv20042900命名为TaRPM1，作为开发分子标记的候选基因（图1）。紧接着，作者参考中国春基因组序列设计引物TaRPM1-F和TaRPM1-R，分别克隆了感病和抗病近等基因系及其亲本的TaRPM1全长序列，抗病材料中预测的ORF区域存在一个31bp插入造成蛋白翻译提前终止（图2）。

图1. 1DS染色体Lr42候选区间内的高置信度基因和差异表达基因（绿色）

B：参考中国春基因组；C：参考Ae. tauschiic基因组

图2. TaRPM1的基因和蛋白结构

然后作者比对了抗病材料KS93U50和感病材料Morocco的TaRPM1基因序列，以及中国春1A和1B上的同源基因序列，来确定该基因的保守区段用以开发筛选Lr42的分子标记（图3）。为了能够区分两等位基因31bp的差异，作者开发了STS标记TaRPM1-GSM和TaRPM1-ABI，KASP标记 TaRPM1-KASP1和TaRPM1-KASP2，四个标记均为共显性标记，可用于Lr42早期分离世代的标记辅助选择（图4）。随后，作者利用67个涉及Lr42的CIMMYT育种系和73个美国硬冬小麦育种系验证这些标记，发现四个新开发的标记在鉴定准确性上明显优于先前报道的SNP标记SNP113325和PB12。

图3. TaRPM1序列比对分析及引物设计

图4. 四个新开发标记的基因型分析

A：TaRPM1-GSM；B：TaRPM1-ABI；C：TaRPM1-KASP1和TaRPM1-KASP2

总结：基于Lr42 NILs RNA测序鉴定Lr42区域的抗病候选基因，作者开发了四种不同类型的标记，以适应不同的筛选平台。这些标记能够在多样的群体中鉴定Lr42的存在和差异，并被证明优于先前报道的标记，具有更高的准确性和灵活性。因此，这些标记可用于小麦育种中Lr42的分子标记辅助选择，以促进抗叶锈病小麦的筛选。