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小麦簇毛麦抗白粉病基因转化与功能鉴定：解锁小麦抗病育种新密码

一、引言

1.1研究背景与意义

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其产量和品质直接关系到世界粮食安全。然而，小麦生长过程中面临着多种病害的威胁，其中小麦白粉病是由专性寄生真菌禾本科布氏白粉菌小麦专化型（Blumeriagraminisf.sp.tritici）引起的一种世界性病害，在各主要产麦国普遍发生。据统计，重病田小麦白粉病的减产可达40%以上，不仅严重降低小麦产量，还会对小麦的品质产生负面影响，如导致籽粒蛋白质含量下降、面粉加工品质变差等。例如在一些地区，受白粉病侵害的小麦，其面粉的烘焙品质明显降低，制作出的面包体积变小、质地变差。

选育和推广抗病品种是防治小麦白粉病最经济、有效和环境友好的策略。传统的小麦抗病育种主要依赖于小麦自身的抗性基因，但随着白粉菌新生理小种的不断出现和演化，小麦自身的抗性基因往往难以应对，导致抗性丧失。因此，寻找新的抗白粉病基因资源成为小麦抗病育种的关键。

簇毛麦（Dasypyrumvillosum，又名Haynaldiavillosa,2n=2x=14，基因组VV）是小麦族、簇毛麦属一年生异花授粉二倍体植物，具有多种优良特性。早在上世纪80年代，南京农业大学细胞遗传研究所就发现引自英国剑桥的簇毛麦91C43高抗白粉病。研究表明，簇毛麦对几乎所有白粉菌生理小种都表现出高抗或免疫，同时还兼抗叶锈和秆锈病，对全蚀病、眼斑病、黄花叶病等多种病害也具有抗性。此外，簇毛麦还具有抗寒、耐旱、籽粒粗蛋白含量高、分蘖力强、密穗多花等优良性状，是小麦遗传改良的重要基因资源库。

将簇毛麦的抗白粉病基因导入普通小麦，不仅可以丰富小麦的遗传多样性，为小麦抗病育种提供新的基因资源，还能培育出具有广谱、持久抗白粉病能力的小麦新品种，有效解决当前小麦白粉病防治中面临的问题，对于保障小麦的安全生产、提高小麦的产量和品质具有重要的现实意义。同时，深入研究簇毛麦抗白粉病基因的功能和作用机制，有助于揭示植物抗病的分子生物学原理，为植物抗病育种提供理论基础和技术支持，推动农业生物技术的发展。

1.2国内外研究现状

在小麦簇毛麦抗白粉病基因挖掘方面，国内外研究人员取得了一系列重要成果。南京农业大学刘大均院士团队利用硬粒小麦与来源于英国剑桥植物园的簇毛麦进行远缘杂交，人工合成了硬粒小麦-簇毛麦双二倍体，并在此基础上获得全套小麦-簇毛麦异代换系和异附加系，其中的6V异附加系和代换系表现高抗白粉病。通过进一步研究，确定了来源于簇毛麦的抗白粉病新基因Pm21，并创制了普通小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系，该易位系对多个白粉病菌系表现免疫或高抗，且农艺性状良好，已被广泛用于小麦新品种的选育，通过国家和省级品种审定携带Pm21基因的小麦新品种有30多个。中国农业科学院作物科学研究所陈孝课题组利用来源于前苏联的簇毛麦创制了硬粒小麦-簇毛麦双二倍体和6D/6V代换系等，抗谱分析表明，6D/6V代换系对国内外87个白粉菌菌株达到高抗和免疫水平，并结合幼胚培养及花药培养获得了普通小麦-簇毛麦6VS/6DL易位系，携带抗白粉病基因PmV。

在基因转化技术方面，常用的方法包括农杆菌介导转化法、基因枪法等。农杆菌介导转化法具有转化效率高、整合位点相对稳定等优点，但对受体材料有一定的局限性；基因枪法则可以转化多种类型的受体材料，但存在转化效率较低、转基因拷贝数高等问题。国内外研究人员针对这些方法进行了大量优化和改进，以提高簇毛麦抗白粉病基因的转化效率和稳定性。例如，通过优化农杆菌菌株、培养基成分、转化条件等，成功提高了农杆菌介导转化法的效率；采用新的基因枪设备和技术，降低了基因枪法的转基因拷贝数，提高了转化效果。

在抗白粉病基因功能鉴定方面，研究人员主要通过遗传分析、分子生物学技术等手段来揭示基因的作用机制。遗传分析可以确定基因的遗传模式、与其他基因的相互关系等；分子生物学技术如实时荧光定量PCR、蛋白质免疫印迹、酵母双杂交等，可以从转录水平、蛋白质水平研究基因的表达调控、蛋白质互作等。如南京农业大学张瑞奇教授小组通过图位克隆小麦野生近缘种簇毛麦5VS染色体臂上的不同类型抗白粉病基因，揭示了Pm55两个等位基因通过与抑制基因SuPm55不同互作，为平衡产量与抗性，形成生育期和组织依赖抗性的分子遗传机制。

然而，目前仍存在一些问题和挑战。虽然已经挖掘出一些簇毛麦抗白粉病基因，但对于这些基因的作用机制还不完全清楚，限制了其在小麦抗病育种中的高效利用。此外，基因转化技术的效率和稳定性还有待进一步提高，以满足大规模育种的需求。在基因功能鉴定方面，还需要深入研究基因在不同环境条件下的表达调控和功能