燕麥抗紅葉病研究進(jìn)展

郭建國，袁偉寧，趙彤

摘要：對(duì)燕麥紅葉病的發(fā)病機(jī)理、歐美燕麥抗紅葉病育種、燕麥紅葉病抗病基因分子標(biāo)記等方面的研究進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：燕麥；抗病性；紅葉?。痪C述

中圖分類號(hào)：S435.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2017）11-0069-03

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.11.022

Research Progress on Resistance to Red Leaf Disease of Oat

GUO Jianguo 1， YUAN Weining 1， ZHAO Tong 2

（1. Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China； 2. Gansu Agricultural Information Center， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract：The pathogonsis of oat red leaf disease， the breeding of resistance to red leaf disease in Europe and America and the molecular market of resistance genes in oat red leaf disease are revieued.

Key words：Oat；Resistance；Red Leaf disease；Overview

燕麥?zhǔn)鞘澜琨滎惼贩N改良的先鋒種質(zhì)和籽實(shí)圈窩草種。全球北緯35～60 ℃的40多個(gè)國家種植燕麥以六倍體皮燕麥為主，而中國是裸燕麥起源地，常年種植面積約100萬hm2，主要分布于華北冀、晉、蒙，西北六盤山麓陜、甘、寧和云、貴、川高寒山區(qū)。然而，西北農(nóng)牧交錯(cuò)帶受科技水平因素制約，品種更新?lián)Q代步伐緩慢，古老品種抗病性退化嚴(yán)重，年際溫帶大陸性氣候?yàn)榇篼滭S矮病毒（Barley Yellow Dwarf Virus，BYDV）傳播提供了良好條件，致使燕麥紅葉病流行已成態(tài)勢(shì)，“隴燕”和“定莜”系列等主栽品種的病株率和嚴(yán)重度逐年增加，不僅造成植株韌皮部組織壞死、碳氮代謝紊亂、根際硝酸鹽累積，而且致使光合效能下降，生物量損失30%～75%，嚴(yán)重影響燕麥生產(chǎn)安全?；诮陙硌帑溂t葉病發(fā)病率和嚴(yán)重度增加，開展耐病品種鑒選與基因發(fā)掘?qū)υ摬『沙掷m(xù)控制具有重要實(shí)踐意義。我們綜述了燕麥紅葉病抗性育種工作進(jìn)展，旨在挖掘抗病種質(zhì)與基因資源，為燕麥紅葉病可持續(xù)控制提供新材料，緩解抗性品種連續(xù)傳代BYDV致病性變異分化與抗病育種工作滯后的生產(chǎn)矛盾，實(shí)現(xiàn)燕麥紅葉病綠色防控。

1 燕麥紅葉病的發(fā)病機(jī)理

選育推廣抗病品種是國際公認(rèn)綠色防控手段，然而，抗性品系連續(xù)傳代易使BYDV分化致病性更強(qiáng)的株系，致使抗病育種工作長期處于不能滿足生產(chǎn)需求的被動(dòng)地位。隨著全球大氣CO2濃度逐漸增加，植物內(nèi)源激素平衡失衡與抗氧化防御系統(tǒng)破壞使得作物對(duì)病毒的敏感性增強(qiáng)，造成谷類作物病毒病流行呈現(xiàn)加重趨勢(shì)。如Malmstrom[1 ]研究發(fā)現(xiàn)，CO2富集增加了BYDV在燕麥上的侵染率，造成700 μmol/mol CO2下植株發(fā)病率顯著高于350 μmol/mol；Trebicki[2 ]研究發(fā)現(xiàn)，650 μmol/mol CO2下小麥植株病毒滴度和癥狀嚴(yán)重度高于400 μmol/mol。因此，開展高CO2濃度下燕麥耐BYDV品種鑒選與基因發(fā)掘研究具有重要前瞻意義，不僅可緩和當(dāng)前抗性品種連續(xù)傳代BYDV致病性快速變異分化與抗病育種工作滯后的生產(chǎn)矛盾，而且可為聚合耐病基因輔助選擇持久耐病品系奠定基礎(chǔ)，為積極應(yīng)對(duì)氣候變暖背景下作物與病毒競爭共存的協(xié)同進(jìn)化研究提供依據(jù)。

2 燕麥抗紅葉病育種研究

歐美國家有關(guān)燕麥紅葉病抗病育種的研究表明，燕麥抗BYDV種質(zhì)匱乏，無免疫和抗病資源，僅發(fā)現(xiàn)不實(shí)野燕麥（A.sterilis）、裂稃燕麥（A.barbata）、野燕麥（A.fatua）、裸燕麥（A.nuda）和砂燕麥（A.strigosa）等種質(zhì)耐病，IL 85-1538、IL 86-1150、IL 86-1156、IL 86-4189、IL 86-4407、IL 86-5262、IL 86-5698和IL 86-6404等近等基因系耐病。耐×耐雜交組合F1代超親分離即可產(chǎn)生Yd2基因一樣的抗病性，耐×感雜交組合F1代和F2代群體輪回選擇可以聚合耐病基因，增強(qiáng)耐病性，降低F3代和F4代群體的嚴(yán)重度。室內(nèi)盆栽和田間穴播苗期定量接種是耐病性鑒定的標(biāo)準(zhǔn)程序，3葉期至揚(yáng)花期目測(cè)葉片褪綠變色度和定量測(cè)定根系與葉片病毒含量是耐病性初步篩選的有效方法。灌漿期系統(tǒng)調(diào)查病株率和嚴(yán)重度，計(jì)算耐病指數(shù)、病情指數(shù)和病毒增長曲線；成熟收獲測(cè)定農(nóng)藝參數(shù)和產(chǎn)量構(gòu)成要素等農(nóng)學(xué)指標(biāo)，以及基本指數(shù)、約束指數(shù)、Smith指數(shù)、累乘指數(shù)和最佳線性無偏預(yù)測(cè)模型[3 ]（Best Linear Unbiased Predictor Model，BLUPs），分析耐病性狀與農(nóng)藝狀參數(shù)相關(guān)性。獨(dú)立淘汰法輪回選擇成為耐病品種鑒選的有效方法，消除了5級(jí)與7級(jí)評(píng)價(jià)體系耐病性遺傳的差異性。然而，燕麥對(duì)BYDV具有劑量反應(yīng)，癥狀形成和產(chǎn)量損失易受株系交叉保護(hù)、病毒復(fù)制速率與運(yùn)動(dòng)速率影響。已知燕麥葉片紅化程度與葉綠素含量負(fù)相關(guān)，植株矮化度與農(nóng)藝參數(shù)和產(chǎn)量構(gòu)成要素負(fù)相關(guān)。BYDV株系較多，PAV和MAV依賴傳播和交叉保護(hù)易使表型混雜[4 ]。1葉期混合接種PAV和RPV時(shí)，耐、感品系的嚴(yán)重度高于單一接種；2葉期接種24 h內(nèi)感病品系的病毒運(yùn)動(dòng)速率顯著高于耐病品系；3葉期接種PAV和MAV 48 h內(nèi)感病品系的病毒含量顯著高于耐病品系。100頭/株帶毒蚜接種的產(chǎn)量損失高于20頭/株帶毒蚜接種的產(chǎn)量損失；一步式反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)RT-PCR和多重反轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)M-RT- PCR能夠?qū)崟r(shí)定量檢測(cè)植株病毒含量，檢測(cè)靈敏度高于酶聯(lián)免疫吸附ELISA測(cè)定和組織印記免疫TBIA測(cè)定，現(xiàn)已成為植株病毒濃度檢測(cè)的有效工具。相對(duì)而言，國內(nèi)相關(guān)研究僅見于我們的前期工作[5 ]，堆測(cè)法穴播、分蘗期接種、0～6級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)是成株期抗性鑒定標(biāo)準(zhǔn)程序，地高辛cDNA探針斑點(diǎn)雜交和TaqMan探針RT-PCR檢測(cè)是耐病性鑒定評(píng)價(jià)新興輔助工具[6 ]。借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，以花期一致，農(nóng)藝性狀和表型抗性顯著差異的抗、感病材料為親本，設(shè)計(jì)抗×感二元組合，開展高和正常CO2濃度下雜交后代F1代和F2代群體耐BYDV持久性檢測(cè)評(píng)價(jià)，約束指數(shù)、Smith指數(shù)和BLUPs分析耐病性緊密連鎖農(nóng)藝性狀，卡方檢驗(yàn)遺傳分離規(guī)律，獨(dú)立淘汰法輪回選擇出耐、感性狀一致超越親本的子代群體很有意義，可緩和當(dāng)前抗性品種連續(xù)傳代BYDV致病性變異分化與抗病育種工作滯后的矛盾，為QTLs位點(diǎn)標(biāo)記奠定了一定的基礎(chǔ)。

3 燕麥紅葉病抗病基因分子標(biāo)記研究

燕麥對(duì)BYDV的耐病性是能夠穩(wěn)定遺傳的生物性狀。Avena sterilis × Lamar耐、感雜交群體耐病性受加性基因控制，Otee、FF64/74、M 921和14492 × Clintland 64耐、感雜交群體耐病性受2～4個(gè)基因控制，IL86-8698 × Clintland 64和Kanota × Ogle重組自交系A(chǔ)FLP和RFLP連鎖群分布相似，AFLP連鎖群使RFLP連鎖群更加豐富，可標(biāo)記更多相關(guān)性狀基因。IL86-8698 × Clintland 64耐、感重組自交系耐病主位點(diǎn)A、C、E和微位點(diǎn)R位于六倍體燕麥RFLP連鎖群2、8、36、5位點(diǎn)[7 ]。Kanota ×Ogle重組自交系21個(gè)耐病染色體區(qū)段分布于16個(gè)RFLP連鎖群，多元線性模型是回交育種分子標(biāo)記選擇最佳方法[7 ]。Ogle × MAM17-5耐、感重組自交系4個(gè)耐病數(shù)量性狀位點(diǎn)BYDq1，BYDq2，BYDq3 和BYDq4位于OM連鎖群1、5、7和24位點(diǎn)，互相異位顯性，上位效應(yīng)占總變異50.3%～58.2%，部分耐病QTLs密切連鎖株高和抽穗日數(shù)[8 ]。Avena strigosa×Avena wiestii雜交群體2個(gè)抗病基因同源序列位于RFLP標(biāo)記AswBF連鎖群的兩個(gè)位點(diǎn)，Kanota × Ogle雜交群體10個(gè)抗病基因同源序列位于RFLP標(biāo)記的8個(gè)連鎖群[9 ]。Avena strigosa × Avena wiestii雜交群體Asw連鎖圖具有NBS/PK分析標(biāo)記184個(gè)，MN841801-1× Clintland 64-2雜交群體MN連鎖圖具有NBS/PK分析標(biāo)記90個(gè)[10 ]。3-磷酸甘油醛脫氫酶GAPDH、18S小亞基單位核糖體核酸18S-rRNA、α-微管蛋白TUBA和β-微管蛋白TUBB 等管家基因是BYDV侵染燕麥基因精確表達(dá)的重要參考基因[11 - 12 ]，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)—單鏈構(gòu)象多態(tài)性PCR-SSCP分析是寄主感染BYDV后株系毒性變化的定量檢測(cè)工具[13 ]。多樣性序列芯片DArT標(biāo)記為燕麥基因組發(fā)現(xiàn)、比較作圖和共識(shí)圖譜構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[14 ]，高密度單核苷酸多態(tài)性SNPs標(biāo)記的全基因組關(guān)聯(lián)GWAS分析在Mrg17和Mrg04品系共識(shí)圖譜3C和18D染色體臂上發(fā)現(xiàn)了2個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)QTLs[15 ]。因此，以抗、感親本和后代群體F1和F2代材料為對(duì)象，DNeasy 96 Kit提取抗、感親本和子代材料DNA后，參考已知抗病基因同源保守序列設(shè)計(jì)特異引物，以總DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增，產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)、回收純化構(gòu)建抗、感文庫，深度測(cè)序Illumina HiSeqTM PE 150平臺(tái)獲取抗、感親本和子代材料堿基序列，F(xiàn)astQC軟件數(shù)據(jù)質(zhì)控，Blast同源比對(duì)基因序列，高密度SNPs檢測(cè)目的基因遺傳連鎖群，復(fù)合區(qū)間作圖法組建遺傳連鎖圖譜，結(jié)合已知KO、MN和Asw物理圖譜，全基因組關(guān)聯(lián)GWAS分析，即可定位耐病性狀染色體目標(biāo)區(qū)域和注釋功能基因位點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] MALMSTROM C M，F(xiàn)IELD C B. Virus-induced differences in the response of oat plants to elevated carbon dioxide[J]. Plant，Cell and Environment，1997，20（2）：178-188.

[2] TREBICKI P，NANCARROW N，COLE E，et al. Virus disease in wheat predicted to increase with a changing climate[J]. Global Change Biology，2015，21（9）： 3511-3519.

[3] MONTESINOS-LOPEZ O A，MONTESINOS-LOPEZ A，PEREZ-RODRIGUEZ P，et al. Threshold models for genome-enabled prediction of ordinal categorical traits in plant breeding[J]. G3·Gene-Genomes-Genetics，2015，

5（2）：291-300.

[4] WEN F，LISTER R M，F(xiàn)ATTOUH F A. Cross-protection among strains of barley yellow dwarf virus[J]. Journal of general virology，1991，72（4）：791-799.

[5] 郭建國，郭滿庫，郭 成，等. 燕麥抗蚜性和抗BYDV病毒病鑒定及利用評(píng)價(jià)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，45（3）：575-583.

[6] ZHANG X，ZHOU G H，WANG X F. Detection of wheat dwarf virus （WDV） in wheat and vector leafhopper （Psammotettix alienus Dahlb.） by real-time PCR [J]. Journal of Virological Methods，2010，169（2）：416-419.

[7] JIN H，DOMIER L L，KOLB F L，et al. Identification of quantitative loci for tolerance to barley yellow dwarf virus in oat[J]. Phytopathology，1998，88（5）：410-415.

[8] BARBOSA-NETO J F，SIRIPOONWIWAT W，O'DON OUGHUE L S，et al. Chromosomal regions associated with barley yellow dwarf virus resistance in oat [J]. Euphytica，2000，114（1）：67-76.

[9] ZHU S，KOLB F L，KAEPPLER H F. Molecular mapping of genomic regions underlying barley yellow dwarf tolerance in cultivated oat （Avena sativa L.） [J]. Theoretical and Applied Genetics，2003，106（7）：1300-1306.

[10] IRIGOYEN M L，LOARCE Y，F(xiàn)OMINAYA A，et al. Isolation and mapping of resistance gene analogs from the Avena strigosa genome[J]. Theoretical and Applied Genetics，2004，109（4）：713-724.

[11]SANZ M J，LOARCE Y，F(xiàn)OMINAYA A，et al. Identification of RFLP and NBS/PK profiling markers for disease resistance loci in genetic maps of oats[J]. Theoretical and Applied Genetics，2013，126（1）：203-218.

[12] ZHANG K，NIU S F，DI D P，et al. Selection of reference genes for gene expression studies in virus-infected monocots using quantitative real-time PCR [J]. Journal of Biotechnology，2013，168（1）：7-14.

[13] DELAUNAY A，LACROIX C，MORLIERE S，et al. SSCP-derived quantitative variable to monitor the virulence of a barley yellow dwarf virus-PAV（BYDV-PAV） isolate during adaptation to the TC14 resistant wheat line[J]. Molecular Plant Pathology，2010，11（5）： 651-661.

[14] TINKER N A，KILIAN A，WIGHT C P，et al. New DArT markers for oat provide enhanced map coverage and global germplasm characterization[J]. BMC Genomics，2009，10（1）：1-22.

[15] FORESMAN B J，OLIVER R E，JACKSON EW，et al. Genome-wide association mapping of barley yellow dwarf virus tolerance in spring oat（Avena sativa L.）.[J]. PLoS One，2016，11（5）：1-12.

（本文責(zé)編：陳 珩）