大規模ゲノムアソシエーション解析により、複数の圃場環境下で縞さび病抵抗性を付与する原因遺伝子候補を同定した

A large-scale genomic association analysis identifies the candidate causal genes conferring stripe rust resistance under multiple field environments.

• Jianhui Wu
• Rui Yu
• Haiying Wang
• Cai'e Zhou
• Shuo Huang
• Hanxuan Jiao
• Shizhou Yu
• Xiaojun Nie
• Qilin Wang
• Shengjie Liu
• Song Weining
• R P Singh
• Sridhar Bhavani
• Zhensheng Kang
• Dejun Han
• Qingdong Zeng

抄録

小麦の商業品種に抵抗性遺伝子を組み込むことは、縞さび病や黄さび病（YR）対策として理想的な戦略である。新規抵抗性遺伝子を探索するために、我々は高密度660K一塩基多型（SNP）アレイを用いた大規模ゲノムアソシエーション解析を行い、411の春小麦系統におけるYR抵抗性の遺伝的構成要素を決定した。品質管理の後、371,972個のSNPがスクリーニングされ、信頼性の高いアノテーションされた遺伝子空間の50%以上をカバーした。292 個の有意な SNP を持つ 19 の安定したゲノム領域が、9 つの環境において成虫の YR 抵抗性と関連していた。そのうち14のSNPは、育種に広く用いられている既知の遺伝子座の近傍に局在していた。連鎖不平衡の範囲が大きいにもかかわらず、クローン化された遺伝子Yr18や2BL染色体上の主要な遺伝子座など、明らかな候補SNP変異体が一定の信頼区間内で同定された。因果関係のあるSNP変異体の数は、独立した検証パネルを用いて、各ヌクレオチド多型の機能的重要度の推定値を考慮して精査した。興味深いことに、セリン/スレオニンプロテインキナーゼ（STPK）をコードする遺伝子TraesCS2B01G513100のアミノ酸変化を引き起こす4つの自然多型がYR応答に有意に関与していた。遺伝子発現および変異解析により、STPKがYR耐性に重要な役割を果たしていることが確認された。マーカー支援育種に適したTraesCS2B01G513100ハプロタイプを同定するためにPCRマーカーを開発した。これらの結果は、高分解能 SNP ベースの GWAS が抵抗性遺伝子の迅速な同定を可能にし、小麦病害抵抗性育種におけるマーカー支援選抜の効率化に利用できることを示している。

The incorporation of resistance genes into wheat commercial varieties is the ideal strategy to combat stripe or yellow rust (YR). In a search for novel resistance genes, we performed a large-scale genomic association analysis with high-density 660K single nucleotide polymorphism (SNP) arrays to determine the genetic components of YR resistance in 411 spring wheat lines. Following quality control, 371,972 SNPs were screened, covering over 50% of the high-confidence annotated gene space. Nineteen stable genomic regions harboring 292 significant SNPs were associated with adult-plant YR resistance across nine environments. Of these, 14 SNPs were localized in the proximity of known loci widely used in breeding. Obvious candidate SNP variants were identified in certain confidence intervals, such as the cloned gene Yr18 and the major locus on chromosome 2BL, despite a large extent of linkage disequilibrium. The number of causal SNP variants was refined using an independent validation panel and consideration of the estimated functional importance of each nucleotide polymorphism. Interestingly, four natural polymorphisms causing amino acid changes in the gene TraesCS2B01G513100 that encodes a serine/threonine protein kinase (STPK) were significantly involved in YR responses. Gene expression and mutation analysis confirmed that STPK played an important role in YR resistance. PCR markers were developed to identify the favorable TraesCS2B01G513100 haplotype for marker-assisted breeding. These results demonstrate that high-resolution SNP-based GWAS enables the rapid identification of putative resistance genes and can be used to improve the efficiency of marker-assisted selection in wheat disease resistance breeding.

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