2017, Vol. 25
2. 中国农业科学院作物科学研究所 北京 100081;
3. 中国科学院大学 北京 100049
2. Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
小麦(Triticum aestivum)是我国最主要的粮食作物之一, 其产量关系到我国的粮食安全。由布氏白粉病菌(Blumeria graminis f. sp. tritici, Bgt)引起的小麦白粉病是小麦的重要病害, 是影响小麦生产的三大主要病害之一。鉴定和利用优异的抗病种质依然是防治该病害最为经济、有效且环保的措施[1]。由于白粉菌毒性和寄主抗性之间的协同进化, 生产上大规模应用的抗病基因通常会逐渐降低或丧失抗性[2]。因此, 小麦育种工作者仍需长期致力于有效的、广谱的抗白粉病新种质或新基因的发掘和利用[3]。
迄今为止, 国内外已经在53个位点(Pm1~Pm58, Pm8与Pm17等位, Pm18=Pm1c, Pm22=Pm1e, Pm2= Pm4c, Pm31=Pm21)正式命名了70多个小麦抗白粉病基因[4-7]。除此之外, 还报道了20多个暂时命名的抗白粉病基因。这些基因分布在小麦所有染色体上[8]。从来源上看, 它们分别来自普通小麦、小麦近缘种和远缘种。目前在我国小麦农家品种中已经鉴定出了至少8个抗白粉病基因, 包括Pm2c[7]、PmX[9]、Pm5e[10]、mlxbd[11]、Pm24a[12]、Pm24b[13]、Pm45[14]和Pm47[2], 分别来自我国的小麦农家品种‘鸟麦’、‘小红皮’、‘复壮30’、‘小白冬麦’、‘齿牙糙’、‘白葫芦’、‘D57’和‘红洋辣子’。到目前为止, 这些基因仍然对白粉病原菌保持有很好的抗性。因此, 农家品种是小麦白粉病抗源的重要基因来源之一, 也是进行小麦品种抗白粉病遗传改良的重要抗病种质资源[15]。
我国小麦农家品种‘红蚰子’(京2350)引自国家种质库, 来源于河南南阳市淅川县, 对石家庄地区的田间混合白粉病原菌表现免疫或近免疫, 前期通过白粉病抗性鉴定和筛选, 发现‘红蚰子’是一个很好的白粉病抗源材料。本研究利用国内不同地区、不同毒性的38个菌株对其进行多菌株苗期抗性鉴定, 并利用E09菌株对其与感病亲本‘辉县红’和‘铭贤169’的分离群体进行苗期抗性鉴定和遗传分析, 阐明其抗白粉病的遗传特点。
1 材料与方法 1.1 植物材料供试小麦农家品种‘红蚰子’(京2350)来自国家种质资源库, 由前期白粉病抗性鉴定筛选而来; 感病亲本‘辉县红’和‘铭贤169’以及抗白粉病基因供体材料(共38个菌株, 分别为E03、E05、E06、E09、E11、E13、E16、E17、E18、E21、E22、E23-1、E23-2、E26、E30-2、E31、E32、E49、E50、B13、B14、B41、B15、B16、B17、B42、B43、B44、B45、B46、B47、B48、B49、B54、B55、B56、B57、B58)均保存于中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心小麦种质创新实验室。
1.2 苗期抗性鉴定将用于苗期抗性鉴定的小麦材料播种于72孔(4 cm×4 cm)的穴盘中, 每孔种植6~8粒种子; 每个穴盘随机种植‘铭贤169’作为感病对照。用于抗性遗传分析的F1、F2和F2:3后代材料, 除随机设置‘铭贤169’作为感病对照外, 每个穴盘均设置抗病亲本和感病亲本对照; F1和F2后代材料每孔均种植1粒种子, 便于鉴定后移苗; 每个F2:3株系种植5孔, 每孔种植6~8粒种子, 共种植30~40粒种子。所有小麦材料播种后置于可控温度、湿度和光照的温室条件下培养, 待接种麦苗第一片叶子完全展开时, 利用白粉病菌进行充分接种。接种后的麦苗置于18 ℃黑暗条件下保湿培养24 h之后, 放在可控温室中培养, 期间每天光照14 h、白天温度为22 ℃、夜间温度为18 ℃、相对湿度为80%~90%。以‘铭贤169’作为感病对照, 接种约8~10 d后, 待‘铭贤169’充分发病, 调查记载发病情况。抗病性调查采用盛宝钦[16]提出的6级分类方法进行, 反应型(infection type, IT) 0型为免疫, 0;型为近免疫, 1~4型分别为高抗、中抗、中感和高感。
1.3 统计分析根据调查记载的情况, 计算杂交F2代群体的抗病单株与感病单株的比值, 并利用F2︰3家系验证推导F2单株的基因型, 经卡方测验分析分离群体的符合度。参照何家泌[17]小麦抗病基因分离理论模式, 结合F1植株的抗病性、F2群体的抗感单株分离比例, 对鉴定结果进行分析。
2 结果与分析 2.1 红蚰子的抗性鉴定在苗期, 利用38个单孢分离的且不同毒性的小麦白粉病菌株对‘红蚰子’进行抗性鉴定, 结果表明, ‘红蚰子’对E11、E13、E16、E23-1、E23-2、E30-2、E32、B41、B42、B44和B54、B55、B56、B57、B58共15个菌株表现免疫(IT=0, 反应型为0型), 对E03、E05、E09、E17、E18、E21、E22、E26、E50、B13、B15、B16、B17、B43和B49共15个菌株表现近免疫(T=0;, 反应型为0;型), 对E31、B14、B45和B48共4个菌株表现为高抗(IT=1, 反应型为1型), 而对E06、E49、B46和B47共4个菌株表现为高感(IT=4, 反应型为4型), 图 1显示了‘红蚰子’对部分白粉菌菌株的苗期反应。‘辉县红’和‘铭贤169’作为感病对照, 均对所有38个供试菌株表现为高感。
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图 1 小麦品种‘红蚰子’对部分白粉菌菌株的苗期反应 Figure 1 Reaction of wheat variety 'Hongyouzi' to some powdery mildew isolates at seedling stage |
在成株期, 利用石家庄地区的田间混合白粉病原菌进行接种, 结果表明, ‘红蚰子’对混合病原菌表现为免疫或近免疫。
2.2 ‘红蚰子’的抗性遗传分析‘红蚰子’对白粉病E09菌株的反应型为0;型, 感病亲本‘辉县红’和‘铭贤169’对E09的反应型均为4型, ‘红蚰子’与‘辉县红’和‘铭贤169’的F1代植株也对E09的反应型均为4型, 表明‘红蚰子’对E09的抗性由隐性基因控制。在234株‘辉县红’ב红蚰子’组合构成的F2分离群体中, 有57株表现抗病, 反应型为0型的有18株、反应型为1型的有13株、反应型为2型的有16株; 177株表现感病, 反应型为3型的有21株、反应型为4型的有156株, 抗感分离比符合1︰3(χ2=0.023, P=0.88, 表 1)。对291个‘辉县红’ב红蚰子’组合的F2︰3株系, 每个株系鉴定至少24个单株, 结果表明, 有54个纯合抗病株系, 98个杂合分离株系, 39个纯合感病株系, 纯合抗病︰杂合︰纯合感病的比例符合1︰2︰1的分离比(χ2=2.49, P=0.29, 表 1)。
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表1 小麦品种‘红蚰子’对白粉病E09菌株的抗性遗传分析 Table 1 Resistance inheritance analyses of wheat variety 'Hongyouzi' to powdery mildew isolate E09 |
同样, 在156株‘红蚰子’ב铭贤169’组合构成的F2分离群体中, 有42株表现抗病, 114株表现感病, 抗感分离比也符合1︰3(χ2=0.21, P=0.88, 表 1)。而对257个‘红蚰子’ב铭贤169’组合的F2:3株系, 有67个纯合抗病株系, 121个杂合分离株系, 69个纯合感病株系, 纯合抗病︰杂合︰纯合感病的比例也符合1︰2︰1的分离比(χ2=1.10, P=0.58, 表 1)。因此, 综合遗传分析结果表明, ‘红蚰子’对E09的抗性由1对隐性基因控制, 暂时命名为PmHYZ。
2.3 PmHYZ与部分已知隐性抗性基因的抗谱比较为了区分PmHYZ这个隐性抗性基因与部分已报道的隐性抗性基因, 利用前面提到的38个白粉菌菌株对4个已知基因的载体品种‘CI14125’、‘Aquila’、‘复壮30’和‘小白冬麦’进行了苗期抗性鉴定和抗谱比较。结果表明, Pm5a的供体材料‘CI14125’对所有供试的38个菌株均表现感病; Pm5b的供体材料‘Aquila’仅对38个菌株中的5个(E30-2、E43、E50、B15和B41)表现抗病; Pm5e的供体材料‘复壮30’对5个菌株(E43、E50、B13、B15和B47)表现感病, 其中对4个菌株(E50、B13、B15和B47)的反应不同于PmHYZ; mlxbd的供体材料‘小白冬麦’仅对38个菌株中的3个(E43、B15和B47)表现为感病。因此, PmHYZ基因与Pm5a、Pm5b、Pm5e和mlxbd基因不同(表 2)。
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表2 红蚰子和部分抗白粉病基因供体对38个供试白粉菌菌株的反应 Table 2 Reaction of wheat variety 'Hongyouzi' and some powdery mildew resistant gene donors to 38 tested powdery mildew isolates |
我国小麦农家品种‘红蚰子’是一个广谱的、优异的小麦白粉病抗源, 对供试的38个小麦白粉病菌株中的34个表现免疫到高抗。初步的遗传分析表明, ‘红蚰子’中携带单个隐性抗白粉病基因。进一步对该基因进行分子标记定位, 并开发育种可用的连锁标记, 将有助于该基因更好地应用于小麦抗病育种中。
农家品种具有丰富的遗传变异, 且具有很好的抗逆性和广适性, 是拓宽小麦栽培品种遗传基础和进行品种遗传改良的重要基因源[18]。我国小麦农家品种资源非常丰富, 有不少报道通过抗性遗传分析发掘其中的抗性基因。代君丽等[19]和王建超等[20]分别对农家品种‘大籽糙’和‘小红芒’的抗病性遗传分析表明这两个品种均含有1对隐性抗条锈基因; 翟雯雯等[21]对‘蚂蚱麦’、‘小白冬麦’、‘游白兰’、‘红卷芒’的抗白粉病遗传分析发现4个农家品种中均含有1对隐性抗白粉病基因。迄今为止, 在我国农家品种中也已经陆续报道了多个小麦抗白粉病基因, 如Pm2c[7]、PmX[9]、Pm5e[10]、mlxbd[11]、Pm24a[12]、Pm24b[13]、Pm45[14]和Pm47[2]。本研究通过多菌株抗谱鉴定和抗性遗传分析, 在我国小麦农家品种发现了1个优异的白粉病抗源‘红蚰子’, 并确定‘红蚰子’携带1对隐性抗白粉病基因, 不仅丰富了我国小麦农家品种的抗白粉病基因源, 还为该基因的进一步研究和利用奠定了基础。
目前已经报道的小麦抗白粉病基因中, 多数为显性遗传, 少数表现为隐性遗传, 包括Pm5a-5e、Pm9、Pm26、Pm42、Pm47、mlxbd和pm2026等[22-23]。本研究中所发现的小麦农家品种‘红蚰子’也携带隐性抗性基因。Pm5a和Pm9在国内已经基本失去抗性[24], Pm5b的载体品种‘Kormoran’对白粉菌E09菌株表现感病[25], Pm5e的载体品种‘复壮30’对白粉病E18、E23菌株也表现感病, 然而本研究中的‘红蚰子’对白粉菌菌株E09表现抗病。本研究还区分了‘红蚰子’中抗性基因PmHYZ与已知抗性基因。因此‘红蚰子’所携带的白粉病抗性基因不同于Pm5a、Pm5b、Pm5e和mlxbd。此外, Pm26[22]和Pm42[26]均来源于野生二粒小麦, pm2026来自一粒小麦, 而‘红蚰子’中的抗性基因来自于农家品种, 推测可能不同于Pm26、Pm42和pm2026。至于Pm47、Pm5c和Pm5d, 暂时还不能与‘红蚰子’中的抗性基因区分。然而, 要真正区分‘红蚰子’中的抗性基因与已报道的这些抗性基因, 还需要利用分子标记定位其中的抗性基因, 以及更系统的抗谱区分和等位性测试等。
致谢 感谢中国农业科学院的周益林和李洪杰老师提供白粉病的菌种, 感谢所有对本研究提供帮助的老师和同学。
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