黑麦（Secale cereale）作为重要的小麦近缘种，具有极强的抗寒、耐旱和抗病能力，是改良小麦的重要遗传资源。小黑麦（Triticale）是通过黑麦与小麦杂交及染色体加倍创制的新物种，整合了双亲的高产特性和抗逆能力。1876年，英国科学家Wilson首次通过远缘杂交成功创制了含有黑麦和小麦染色体组的属间杂种（ABDR）。1891年，德国育种家Rimpau偶然获得了通过自然加倍形成的八倍体小黑麦(AABBDDRR)，将其命名为“伦波小黑麦”，这是世界上首个可育且能稳定遗传的小黑麦品系。我国在小黑麦的遗传改良和育种应用上做出了突出贡献（鲍文奎, 1993, 作物杂志）。
20世纪中期，小麦遗传学家将德国黑麦品种Petkus的1RS染色体臂引入小麦，培育出著名的1RS-1BL易位系，显著提升了小麦的抗病性和适应性。其中1RS携带的Yr9抗条锈病基因，曾是我国小麦抗病育种的核心抗源。20世纪70年代，含有1RS-1BL易位染色体的Kavkaz、Aurora等品种引入我国后迅速被广泛利用，至90年代育成一大批携带该易位染色体的小麦新品种。然而，由于条锈病小种不断进化变异，Yr9抗性逐渐被克服，但该基因在育种上仍作为重要抗源，与其它抗病基因组合用于抗条锈病育种。尽管Yr9基因发挥了重要作用，但长期未被成功克隆。
中国科学院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组长期从事小麦远缘杂交及功能基因育种研究，利用不同黑麦材料进行新的小麦-黑麦杂交，构建了大量双二倍体，系统建立了黑麦附加系和双端体系列材料。研究团队发现，3RL染色体携带高抗Ug99的基因（Liu et al., 2022, Theor. Appl. Genet.），并创制了一系列新的1RS-1BL易位系（Wang et al., 2017, Plant J.）。细胞遗传学分析显示，该易位系的融合着丝粒由黑麦和小麦的着丝粒序列共同组成（Wang et al., 2017, Plant J.）。进一步基因组学研究发现，1RS-1BL染色体的融合着丝粒呈现非对称特征，且黑麦来源着丝粒保持活性并利用小麦的CENH3组装核小体（Liu et al., 2023, New Phytol.）。
为深入挖掘和定位黑麦抗条锈病基因，韩方普团队从美国引进了1000余份黑麦和小黑麦种质资源，并从头合成创制了一系列小黑麦材料。研究发现，六倍体小黑麦L20191212与4100对条锈病表现出差异显著的抗性表型：L20191212近免疫，而4100高感。对其F2群体进行遗传分析发现L20191212的抗性呈单基因显性遗传模式（3抗：1感）。研究团队进一步开发了一系列InDel标记，构建了高密度遗传图谱（图1A），并结合关键重组单倍型，对抗病基因进行了精细定位（图1B）。结果显示，该抗性基因定位区间位于已报道的Yr9基因定位范围内，因此将该位点暂命名为Yr9-b。
图1 抗条锈病基因Yr9-b精细定位
通过转录组分析，筛选获得两个候选基因。功能验证表明，在春性品种Fielder和冬性品种烟农19中，过表达SECCE1Rv1G0003760赋予小麦对CYR17小种近免疫抗性，而SECCE1Rv1G0003770过表达株系仍表现感病（图2B）。进一步利用CRISPR-Cas9敲除抗病小黑麦亲本L20191212中的Yr9-b基因后，植株抗性丧失，进一步验证了该基因抗病功能可靠性（图2E）。
通过分析32个代表性的1RS-1BL易位系，发现Yr9-b与其等位基因Yr9所编码的蛋白存在4个氨基酸差异（图2G）。为验证Yr9的功能，研究团队分别构建了由自身启动子驱动的Yr9和Yr9-b转基因载体，并转化至感病小麦中进行功能互补验证（图2H）。抗性分析表明，两种转基因株系均能显著提高对条锈菌CYR17小种的抗性水平（图2I）。
本研究基于小黑麦分离群体进行黑麦抗条锈病基因精细定位，成功克隆到抗条锈病基因Yr9，不仅填补了该基因长期未被克隆的空白，也为小麦分子标记辅助育种以及Yr9抗性基因的恢复和再利用提供了坚实基础。
图2 抗条锈病基因Yr9-b与Yr9基因功能验证
本工作于2025年4月22日在线发表于Science China Life Sciences(DOI: 10.1007/s11427-025-2929-6)。山东农业大学吴佳洁课题组同期发表了利用1RS-1BL易位系EMS突变体克隆Yr9基因的研究成果。中国科学院遗传发育所韩方普研究组博士研究生王春挥，王冕，以及中国农业科学院作科所叶兴国研究组已毕业客座博士常亚南为论文的共同第一作者。中国科学院遗传发育所韩方普研究员、中国农科院作科所叶兴国研究员和中国科学院遗传发育所刘阳副研究员为论文的共同通讯作者。此外，河北科技大学王婧副教授、成都生物所王涛研究员、四川省农业科学院杨武云研究员及四川农业大学刘登才教授参与了该工作。本研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划资助。
