2份春小麥種質(zhì)資源成株期抗條銹病基因遺傳分析

趙 珂，李秋榮，侯 璐，*，白耀博，蔣禮玲，魏有海，郭青云

(1.青海大學 青海省農(nóng)林科學院 青海省農(nóng)業(yè)有害生物綜合治理重點實驗室，青海 西寧 810016； 2.徐州生物工程職業(yè)技術學院 徐州現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術重點實驗室，江蘇 徐州221006)

小麥條銹病由小麥條銹菌(Pucciniastriiformisf.sp.tritici)引起，是世界范圍內(nèi)影響小麥生產(chǎn)的最嚴重病害之一。從小麥一葉期到成熟期，小麥植株的綠色部位都可以發(fā)生病害，且在低溫和潮濕條件下易發(fā)生[1]。我國西北、西南、黃淮海等冬小麥區(qū)和西北春小麥區(qū)的生產(chǎn)一直受小麥條銹病的威脅[2]。實踐證明，種植抗病品種是防治該病害最為經(jīng)濟安全有效的方法[3]。對抗條銹病春小麥資源中抗病基因的遺傳分析為抗病基因的合理使用提供前期理論基礎，也為育種家提供抗病材料，加速抗病育種的進程。已有研究表明，我國存在較為豐富的小麥抗性資源，周強等[4-5]研究表明， 綿麥37成株期對條中32號小種的抗性主要受1對顯性基因的控制， 同時受另外2對隱性基因的影響，綿麥39對條銹菌條中32的成株期抗性受一對顯性基因的控制。邱亨池等[6]研究發(fā)現(xiàn)，秦農(nóng)142成株期抗病性由1對顯性基因和1對隱性基因共同決定。蘇萍萍等[7]對小麥種質(zhì)P10078的成株期抗條銹性研究表明，其成株期抗性由1對顯性主效基因控制。穆京妹等[8]研究發(fā)現(xiàn)，南農(nóng)790成株期抗條銹性由一個顯性單基因控制。曹世勤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，26個甘肅省春小麥品種(系)中，19個品種(系)含有Yr1及未知抗條銹病基因，其余品種(系)推測含有未知抗條銹病基因。李邦發(fā)[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，西科麥 2028、西麥6號對 CYR31 的抗病性分別由 3 對顯性基因和2對顯性基因、1對隱性基因控制; 對 CYR32 分別由 2 對顯性和 1 對隱性基因控制、3對顯性基因(其中2對表現(xiàn)累加作用)；對 CYR33分別由1對顯性基因、1對顯性基因和1對隱性基因控制；對 Su11-4 由 1 對顯性和 1 對隱性基因、1對顯性基因和1對隱性基因重疊或獨立控制，且西麥6號對條銹菌V26抗病性由1對顯性基因獨立控制。張瑩等[12]研究發(fā)現(xiàn)，P9897 的成株期抗條銹性是一種數(shù)量性狀，由一顯一隱 2 對基因獨立控制或起重疊作用控制。孫建魯?shù)萚13]研究發(fā)現(xiàn)，蘭天11號等的成株期抗條銹性由2對或3對基因控制。姚強等[14]對春小麥青春39的遺傳分析表明，其CYR17的抗病性由1對顯性基因控制。而對CYR33的抗病性由1顯1隱兩對基因獨立控制。小麥條銹菌通過有性生殖產(chǎn)生強毒性菌系導致現(xiàn)有抗病種質(zhì)資源逐漸喪失抗銹性[15]，因此在育種實踐中需要不斷發(fā)掘新的抗條銹病資源，研究其中的抗病基因以便加以利用。本研究組前期研究發(fā)現(xiàn)，春小麥種質(zhì)資源MY004730和ZM018243具有良好的成株期抗條銹性，本研究對以上2個春小麥種質(zhì)資源的抗病基因數(shù)目及遺傳規(guī)律進行分析，擬為其在抗病育種中的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試抗條銹病春小麥種質(zhì)資源MY004730、ZM018243由青海國家種質(zhì)資源復份庫提供，青海省農(nóng)林科學院植物保護研究所保存；感病春小麥品種Taichung29由中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所提供，青海省農(nóng)林科學院植物保護研究所保存；以Taichung29與MY004730、ZM018243與MY004730雜交獲得的F2∶3群體，由青海省農(nóng)林科學院植物保護研究所保存。

1.2 試驗方法

分別于2017年和2019年在青海省西寧市青海省農(nóng)林科學院植物保護研究所小麥條銹病抗性鑒定自然發(fā)病圃進行抗性鑒定。

每年播種時間為3月下旬，親本MY004730、ZM018243和 Taichung 29 先各播種1行，行長1 m，行距0.3 m，2017年將F2群體單粒播種，每行播10粒，播種30行，每個試驗點1個處理，其中每20行中間加設1行 Taichung 29 作為感病對照，鑒定圃的四周各種3行 Taichung 29作誘發(fā)行。2017 年F2群體單株收獲所得F3家系群體于2019年繼續(xù)于同一地點測試，每個F3家系種 1 行，每個試驗點1個處理，每20 行中間加設1行 Taichung 29作為感病對照，鑒定圃的四周各種3行Taichung 29作誘發(fā)行。

從7月上旬當Taichung 29充分發(fā)病的時候開始調(diào)查，對親本MY004730、ZM018234和Taichung 29實行單行整體評估，對F2群體實行單株調(diào)查(2017 年)，對F3家系群體每個家系實行單行整體評估調(diào)查(2019年)，調(diào)查2次，間隔7d，記載反應型和嚴重度，反應型(IT)按Line等[16]0～9級的方法記錄，其中0～5級為抗病，6～9級為感病，田間病害嚴重度(DS，%)按0、2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100分級記錄[17]，反應型以2次調(diào)查數(shù)據(jù)的平均值作為最終統(tǒng)計，嚴重度以第二次調(diào)查的數(shù)據(jù)作為最終統(tǒng)計。

1.3 統(tǒng)計分析

2 結果與分析

2.1 反應型和病害嚴重度正態(tài)性檢驗結果分析

對Taichung 29/MY004730與ZM018243/MY004730 F2群體的反應型和病害嚴重度的正態(tài)性檢驗結果如圖1所示，2個雜交組合F2群體的反應型和病害嚴重度的正態(tài)性分布檢驗結果值均小于0.005，表明均不符合正態(tài)分布，初步推測種質(zhì)資源MY004730和ZM018243對小麥條銹病成株期抗性均具有質(zhì)量性狀抗性特征。

圖1 Taichung 29/MY004730(A、B)與ZM018243/MY004730(C、D) F2群體反應型(A、C)和病害嚴重度(B、D)的正態(tài)概率圖Fig.1 Normal probability of Taichung 29/MY004730 (A) and ZM018243/MY004730 (B) F2 population response type and disease severity

2.2 供試親本的抗條銹性鑒定結果

由圖2(箭頭所示)可知，感病親本Taichung 29(P1)的病害反應型均為8，病害嚴重度為80%，即高感。親本MY004730反應型為2或3，即為免疫或高抗。而親本ZM018243病害反應型為3，為高抗。

2.3 MY004730的抗條銹性遺傳分析

Taichung 29與MY004730 F2:3群體的反應型和病害嚴重度頻率分布如圖所示，F(xiàn)2:3群體反應型和病害嚴重度中間型較多，反應型和病害嚴重度整體上均未呈現(xiàn)連續(xù)性分布，但不同區(qū)段內(nèi)又出現(xiàn)連續(xù)性分布的現(xiàn)象。對Taichung 29與 MY004730 F2群體單株具體調(diào)查結果(表1)顯示，抗病植株為130株，感病植株為45株，即Taichung 29/MY004730雜交后代F2群體卡方檢驗符合3R∶1S的抗感分離比(χ2=0.02，P=0.83)。對F3群體家系調(diào)查中，抗病家系131個，感病家系有44個，也符合3R∶1S的抗感分離比(χ2<0.01，P=0.97)，由卡方檢驗結果分析得出種質(zhì)資源MY004730的成株期抗條銹性由1對顯性基因控制。

2.4 ZM018243與MY004730雜交 F2∶3群體的抗條銹性遺傳分析

ZM018243與MY004730 F2∶3群體的反應型和病害嚴重度頻率分布圖如圖2，F(xiàn)2∶3群體反應型和病害嚴重度整體均未呈連續(xù)分布，但是不同的區(qū)段內(nèi)卻又出現(xiàn)了連續(xù)性分布的現(xiàn)象，兩年測試的結果變化趨勢一致。對ZM018243與MY004730 F2∶3群體的抗條銹遺傳結果見表1：在F2群體調(diào)查中，抗病植株為89株，感病植株為71株，ZM018243與MY004730 雜交后代F2群體卡方檢驗符合9R∶7S的抗感分離比(χ2<0.01，P=0.87)。對F3家系群體調(diào)查中，抗病家系有79個，感病家系68個，ZM018243與MY004730 F3群體卡方檢驗符合9R∶7S的抗感分離比(χ2=0.28，P=0.54)。即ZM018243與MY004730雜交F2∶3群體的成株期抗條銹性由2對顯性基因共同作用。由MY004730成株期抗條銹性基因遺傳分析結果，MY004730中有1對顯性成株期抗條銹病基因，可推斷出ZM018243中可能有1對顯性成株期抗條銹病基因。

P1，Taichung29；P2，MY004730；P3，ZM018243。圖2 Taichung 29/MY004730(A、B)和ZM018243/MY004730(C、D) F2∶3群體在西寧試驗地所測反應型(A、C)和病害嚴重度(B、D)的頻率分布圖Fig.2 Frequency distribution of infection type and disease severity of F2∶3， populations from Taichung 29/MY004730 and ZM018243/MY004730tested in Xining

表1 Taichung 29/MY004730和ZM018243/MY004730 F2∶3群體抗病性遺傳分析結果

3 結論與討論

本研究供試的2份春小麥種質(zhì)資源：ZM018243來自綿陽市農(nóng)業(yè)科學研究院[19]，品系名為綿陽013466-3-3-1，由綿陽11/墨西哥材料第18區(qū)//77-D301雜交選育而成；MY004730引自加拿大[19]。前期研究發(fā)現(xiàn)，它們均具有良好的成株期抗條銹性。本研究利用Taichung29/MY004730抗-感雜交和2個抗性親本(抗-抗雜交)ZM018243/MY004730雜交的春小麥分別創(chuàng)建F2:3群體進行2個年份的大田成株期抗條銹性測試，遺傳結果分析發(fā)現(xiàn)，MY004730中有1對顯性成株期抗條銹病基因，結合2個雜交組合的遺傳分析結果，推導ZM018243中也可能有1對顯性成株期抗條銹病基因。本研究中，F(xiàn)2:3群體2個年份的試驗研究結果一致，均符合孟德爾遺傳學定律，且未發(fā)現(xiàn)群體后代的抗病性狀偏向于母本的情況，存在細胞質(zhì)遺傳控制因素的可能性很小。因此，未再用反交群體進行測試分析。

小麥材料的抗條銹性是小麥與條銹菌在長期的協(xié)同進化中形成的一系列防御機制，是寄主植物和病原物之間相互作用所表現(xiàn)出來的抗病或感病現(xiàn)象，是二者相互作用的結果[20]；對條銹病具有抗性的小麥資源中抗性基因的遺傳方式有多種，單基因、多基因、主效基因與微效基因共同控制等[21]，國內(nèi)對小麥成株期抗條銹病基因遺傳分析的報道主要是根據(jù)孟德爾遺傳規(guī)律進行分析，獲得1對、2對或3對抗條銹病基因的作用規(guī)律[7，10，12，22-24]，本研究也是根據(jù)孟德爾遺傳規(guī)律進行分析。

在對春小麥成株期抗條銹病基因遺傳分析研究方面：張調(diào)喜等[25-26]應用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型單個分離世代分析方法對春小麥品種青春38和墨波進行了成株期抗條銹性遺傳解析，推測青春38和墨波的成株期抗條銹性均為2對主基因作用；春小麥品種高原363的成株期抗條銹性也是由2對主基因作用[27]。應用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型的分析方法主要從主效基因和微效基因的角度來分析和推斷，在數(shù)量性狀的基因遺傳分析中應用較多。孟德爾經(jīng)典遺傳規(guī)律在質(zhì)量性狀的基因遺傳分析中應用廣泛，不僅可以分析出抗病基因的數(shù)目，還能分析出抗病基因的顯、隱性特性，有利于本研究中涉及到的抗病基因的推導分析，基因推導的方法省去了單獨再做抗病春小麥資源ZM018243中抗病基因的遺傳分析的工作量，提高了工作效率。此外，可從抗-抗雜交的春小麥群體中篩選抗病基因聚合材料有利于下一步工作的進行。

小麥抗條銹病基因的作用方式復雜多樣，本研究發(fā)現(xiàn)，春小麥種質(zhì)資源MY004730和ZM018243中可能均含有單顯性成株期抗條銹病基因，更容易直接進行下一步對抗病基因的研究，不再進行基因分離和單基因系篩選的工作。根據(jù)本研究遺傳分析結果，下一步可以進行抗病基因的分子標記定位，找到與抗病基因緊密連鎖的標記，為分子標記輔助選擇育種服務，同時還能在抗-抗雜交的春小麥群體中直接篩選抗病基因聚合材料，為育種提供優(yōu)良抗病材料。