论文标题：Molecular Cytogenetic Analysis of the Introgression between Agropyron cristatum P Genome and Wheat Genome（冰草P基因组与小麦基因组渐渗的分子细胞遗传学分析）

期刊：IJMS

作者：Zhi Zhang, Shenghui Zhou, Weihua Liu, Liqiang Song, Jinpeng Zhang, Haiming Han, Xinming Yang, Yida Lin, Xiuquan Li and Lihui Li

发表时间：18 October 2021

DOI：10.3390/ijms222011208

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期刊链接：

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小麦是世界上重要的粮食作物之一，提供人类约20%的能量供应[1]。然而，狭窄的遗传基础不仅限制了小麦产量和品质的进一步改良，而且增加了其对生物和非生物胁迫的脆弱性，所以，通过远缘杂交向栽培小麦中导入优异的外源基因是拓宽小麦遗传基础的主要途径[2]。然而，通过远缘杂交而产生的易位系一般携带有较大的遗传累赘，很难直接应用于小麦的育种实践当中，所以，获得携带有更小外源遗传成分的渐渗系对于育种实践是必要的。

冰草作为一种重要的小麦近缘植物，携带有许多可用于小麦遗传改良的优异性状，其主要表现为多花多粒，抗寒，抗旱，抗病等[3-7] (图1)。本实验室在完成小麦和冰草杂交成功的基础上创制了一系列小麦-冰草衍生系，包括小麦-冰草染色体异源附加系，代换系，易位系，渐渗系等，其中渐渗系携带的冰草外源成分通过传统的基因组原位杂交很难被检测到。基于此，中国农业科学院作物科学研究所李立会研究员团队在International Journal of Molecular Sciences (IJMS) 发表论文，进一步对冰草P基因组与小麦基因组渐渗展开研究并成功在渐渗系中追踪到冰草P基因组成分。

图1. 四倍体冰草Z559和小麦-冰草附加系的主要农艺性状。(A) 小麦近缘植物四倍体冰草Z559原生境的生长状况[3]。(B-D) 小麦-冰草6P染色体附加系4844-12表现多花多粒，高抗条锈病和叶锈病[4-6]。(E) 小麦-冰草2P染色体附加系II-9-3表现高抗白粉病[7]。

研究结果和分析

1. 小麦-冰草6P染色体异源易位系WAT655中抗病相关基因的获得

在之前的报道当中，小麦-冰草6P染色体异源易位系WAT655，携带有冰草6PS (0.81-1.00) 染色体区段，并表现高抗条锈病生理小种CYR32和CYR33[5]。本研究，为了探索位于冰草6PS (0.81-1.00) 染色体区段的抗病基因，在冰草Z559全长转录本序列[8]中检索抗病相关的转录本并开发特异的分子标记，获得三个可定位于易位系WAT655中的冰草抗病相关基因 (图2)。

图2. 三个冰草抗病相关基因的功能注释和分子标记检测。(A) 三个冰草抗病相关基因 (Agr6971，Agr4080，和Agr8173) 在NCBI的功能注释。(B) 三个冰草抗病相关基因的分子标记在易位系WAT655检测。图中M-DL2000 DNA marker; 1-Z559; 2-4844-12; 3-Fukuho; 4-WAT655; 5-WAT638a; 6-WAT638b.

2. 小麦-冰草易位系WAT655中渐渗的分子细胞学检测

为了进一步探索冰草P基因组与小麦基因组的渐渗，利用三个冰草抗病相关基因的分子标记以及冰草P基因组特异的分子标记同时对易位系WAT655的BC5F2群体和BC5F2:3群体进行冰草P基因组成分的追踪。结果表明，来自于BC5F2群体和BC5F2:3群体的部分单株在这两种分子标记的检测结果并不一致 (图3)，说明在易位系WAT655中冰草P基因组外源片段与小麦基因组存在渐渗的可能。为了进一步验证这一结果，利用三个抗病相关基因的BAC克隆DNA及三个基因的DNA为FISH探针，在上述部分单株中进行FISH检测，结果表明，易位系WAT655中冰草P基因组外源片段与小麦基因组确实存在渐渗的现象 (图3)。

图3. 冰草P基因组与小麦基因组渐渗的分子细胞学检测。(A) 抗病相关基因的分子标记以及冰草P基因组特异的分子标记在易位系WAT655 BC5F2群体和BC5F2:3群体中检测。(B) 抗病相关基因的BAC克隆FISH探针和基因FISH探针在部分单株中的检测。

3. 冰草6PS (0.81-1.00) 染色体区段中抗病基因簇的初步鉴定

为了确定三个冰草抗病相关基因的物理位置，利用三个基因的FISH探针在易位系WAT655中进行检测。结果表明，三个基因的FISH信号在冰草6PS (0.81-1.00) 染色体区段上两两出现部分重合 (图4)，初步确定这三个冰草抗病基因在6PS (0.81-1.00) 染色体区段上可能形成抗病基因簇。

图4. 三个冰草抗病相关基因的FISH探针在易位系WAT655中进行检测。三个基因的FISH信号在冰草6PS (0.81-1.00) 染色体区段上两两出现部分重合。

4. 小麦-冰草渐渗系的分子细胞学检测

为了进一步检测小麦-冰草渐渗系的P基因组成分，利用三个冰草抗病相关基因的FISH探针和分子标记对小麦-冰草渐渗系中的P基因组成分进行追踪，并获得24份携带有三个冰草抗病基因的渐渗系。通过对这24份小麦-冰草渐渗系进行田间的农艺性状考察，表明24份小麦-冰草渐渗系对小麦条锈病生理小种CYR32和CYR33表现高抗或中抗，同时说明三个冰草抗病基因与小麦条锈病抗性密切相关 (图5)。

图5. 小麦-冰草渐渗系的分子细胞学检测及农艺性状考察。(A) 小麦-冰草渐渗系的P基因组成分的FISH检测。(B) 小麦-冰草渐渗系的条锈病抗性鉴定。(C) 小麦-冰草渐渗系的田间农艺性状考察。

研究总结

在本研究中，通过在冰草全长转录本序列中筛选并获得三个可定位于易位系WAT655的抗病基因，并利用分子细胞遗传学方法在易位系WAT655中发现冰草P基因组与小麦基因组的渐渗现象，同时也获得携带有三个抗病基因并对小麦条锈病生理小种CYR32和CYR33表现抗性的渐渗系材料。

参考文献：

[1] Shewry, P.R.; Hey, S.J. The contribution of wheat to human diet and health. Food Energy Secur. 2015, 4, 178–202.

[2] Friebe, B.; Jiang, J.; Raupp, W.J.; McIntosh, R.A.; Gill, B.S. Characterization of wheat-alien translocations conferring resistance to diseases and pests: Current status. Euphytica 1996, 91, 59–87.

[3] Zhou, S.H.; Zhang, J.P.; Che, Y.H.; Liu, W.H.; Lu, Y.Q.; Yang, X.M.; Li, X.Q.; Jia, J.Z.; Liu, X.; Li, L.H. Construction of Agropyron Gaertn. genetic linkage maps using a wheat 660K SNP array reveals a homoeologous relationship with the wheat genome. Plant Biotechnol. J. 2018, 16, 818–827.

[4] Wu, J.; Yang, X.M.; Wang, H.; Li, H.J.; Li, L.H.; Li, X.Q.; Liu, W.H. The introgression of chromosome 6P specifying for increased numbers of florets and kernels from Agropyron cristatum into wheat. Theor. Appl. Genet. 2006, 114, 13–20.

[5] Zhang, Z.; Song, L.Q.; Han, H.M.; Zhou, S.H.; Zhang, J.P.; Yang, X.M.; Li, X.Q.; Liu, W.H.; Li, L.H. Physical localization of a locus from Agropyron cristatum conferring resistance to stripe rust in common wheat. Int. J. Mol. Sci. 2017, 18, 2403.

[6] Song, L.Q.; Lu, Y.Q.; Zhang, J.P.; Pan, C.L.; Yang, X.M.; Li, X.Q.; Liu, W.H.; Li, L.H. Physical mapping of Agropyron cristatum chromosome 6P using deletion lines in common wheat background. Theor. Appl. Genet. 2016, 129, 1023–1034.

[7] Li, H.H.; Jiang, B.; Wang, J.C.; Lu, Y.Q.; Zhang, J.P.; Pan, C.L.; Yang, X.M.; Li, X.Q.; Liu, W.H.; Li, L.H. Mapping of novel powdery mildew resistance gene(s) from Agropyron cristatum chromosome 2P. Theor. Appl. Genet. 2017, 130, 109–121.

[8] Zhou, S.H.; Zhang, J.P.; Han, H.M.; Zhang, J.; Ma, H.H.; Zhang, Z.; Lu, Y.Q.; Liu, W.H.; Yang, X.M.; Li, X.Q.; et al. Full-length transcriptome sequences of Agropyron cristatum facilitate the prediction of putative genes for thousand-grain weight in a wheatA. cristatum translocation line. BMC Genom. 2019, 20, 1025.

IJMS 期刊介绍

主编：Maurizio Battino, Marche Polytechnic University, Italy & Jiangsu University, China

主要涉及生物化学、分子和细胞生物学、分子生物物理学、分子医学以及化学等方面的分子研究。