JIPB | 武汉大学何光存课题组通过全球水稻资源全基因组关联分析（GWAS）揭示水稻与褐飞虱互作与进化的遗传基础

植物与植食性昆虫的相互作用和协同进化对于农业生产至关重要。褐飞虱是一种具有刺吸式口器的昆虫。研究表明，大约在25万年前褐飞虱从李氏禾转移到稻属植物上，此后水稻成为褐飞虱的主要寄主。历史上，褐飞虱一直是水稻生产中的次要害虫。近几十年来，由于水稻品种和生产模式的变革，褐飞虱发展成为水稻生产中危害最严重的主要害虫之一。人们还发现，褐飞虱能产生致害性变异，形成适应抗性品种的种群即生物型(biotype)。因此，持久抗性是全球抗褐飞虱水稻育种面临的主要挑战。深入了解自然界中水稻群体如何抵御褐飞虱以及水稻基因组在褐飞虱群体压力下如何进化，将有助于培育具有持久抗虫性的水稻品种，实现褐飞虱的可持续防控。

JIPB近日在线发表了武汉大学何光存教授课题组题为“Balancing selection and wild gene pool contribute to resistance in global rice germplasm against planthopper”的研究论文（https://doi.org/10.1111/jipb.13157）。该研究鉴定了来自于74个国家的1520份水稻品种和17份野生稻材料对褐飞虱三种生物型的抗性，获得了440份抗褐飞虱品种资源，其中103份抗褐飞虱两种生物型，69份抗三种生物型；通过GWAS分析鉴定了3502个关联SNPs和59个关联位点；克隆并通过转基因验证了抗褐飞虱新基因Bph37。

该项研究发现水稻群体对褐飞虱三种生物型的抗性存在显著性差异，1520份水稻中72.2%的品种对褐飞虱生物型3表现敏感，明显高于感生物型2的44.4%和感生物型1的34.5%；从而揭示了褐飞虱继生生物型（生物型2和3）比原生生物型（生物型1）对水稻群体具有更强的致害性，能克服更多水稻品种的抗性。十分有趣的是，水稻种群中抗性关联SNP和位点与害虫生物型的致害能力密切相关，即抗生物型1的SNP和位点最少，抗生物型2和3的明显增多。该结果表明，为抵抗致害性更强的褐飞虱，水稻群体动用了更多的位点和变异。深入分析发现水稻的大多数抗性关联位点具有显著的遗传多态性；对栽培种和两个野生稻种进行了全基因组的跨物种单倍型扫描，发现这些抗性位点受到了平衡选择。该研究发现抗性位点成簇聚集在水稻第4和第6染色体的3大区域。对这些区域进行了F_ST，基因组相似程度以及进化树的分析，结果显示抗性品种的祖先多态性大多来自于热带地区的尼瓦拉野生稻。

图 1. 水稻抗褐飞虱遗传基础分析

（C）抗性位点聚集区域的F_ST和基因组相似程度。（D）抗性位点聚集区域的进化树。

该论文获得了抗多种生物型褐飞虱的水稻品种、位点和基因，并揭示了自然界中水稻群体抵御褐飞虱致害性变异的遗传基础，对于培育持久抗褐飞虱水稻品种具有重要意义。武汉大学杂交水稻国家重点实验室博士研究生周聪，张倩和硕士研究生陈瑜为该论文的共同第一作者，何光存教授为通讯作者。中国农业科学院黎志康教授、广西大学邱永福博士和湖南杂交水稻中心的团队参与了研究。该项研究得到了国家自然科学基金和国家相关项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/jipb.13157