呂國(guó)鋒 別同德 王 慧 趙仁慧 范金平 張伯橋 吳素蘭王 玲 汪尊杰 高德榮

江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇揚(yáng)州 225007

長(zhǎng)江中下游麥區(qū)小麥生長(zhǎng)后期多雨潮濕, 是小麥赤霉病和白粉病的重發(fā)區(qū), 近年來(lái)黃花葉病有蔓延趨勢(shì)。小麥赤霉病 (Fusariumhead blight, FHB)是一種世界性真菌病害, 病原為禾谷鐮刀菌, 主要侵染小麥穗部, 嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。培育抗赤霉病品種是本麥區(qū)抗病育種的首要目標(biāo)。小麥赤霉病是多基因控制的復(fù)雜性狀, 目前已命名的小麥抗赤霉病基因有7個(gè)[2], 其中以Fhb1效應(yīng)最大, 抗性最穩(wěn)定, 在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[3-5]。Zhu等[6]利用全基因組關(guān)聯(lián)分析對(duì)240個(gè)中國(guó)小麥品種(系)赤霉病抗性的遺傳研究表明, 在1AS、2DL、5AS、5AL和7DS共關(guān)聯(lián)到5個(gè)QTL, 以2DL上的QTL效應(yīng)最大, 其主要存在于長(zhǎng)江中下游麥區(qū)江蘇省和湖北省的品種中, 而Fhb1在中國(guó)小麥品種中總體頻率很低。長(zhǎng)江下游的蘇麥3號(hào)和寧麥9號(hào)是中國(guó)小麥品種Fhb1的主要供體, 并以后者為主[7]。揚(yáng)麥系列和寧麥系列品種是長(zhǎng)江下游小麥生產(chǎn)的主體品種, 多數(shù)品種的赤霉病為中抗。寧麥系列品種中的寧麥9號(hào)衍生品種多含F(xiàn)hb1[8], 揚(yáng)麥系列品種(系)中含F(xiàn)hb1的品種(系)均為寧麥9號(hào)衍生品種, 而揚(yáng)麥158衍生品種大多不含F(xiàn)hb1, 其赤霉病抗性由非Fhb1的抗性控制[9]。對(duì)揚(yáng)麥158及其衍生品種揚(yáng)麥16的遺傳研究表明, 兩品種的赤霉病抗性都由Fhb1外的多個(gè)QTL控制, 其中位于2DL上的QTL是兩品種所共有[10-11]。2DL上的QTL不僅是Wuhan-1[12]、VA00W-38[13]、Shanghai-3/Catbird[14]、Soru#1[15]、Kenyon[16]和C615[17]等不含F(xiàn)hb1品種的主要抗赤霉病位點(diǎn)之一, 也是蘇麥3號(hào)衍生品種DH181[18]和CJ9306[19]的主效抗性位點(diǎn)。

小麥白粉病是由禾布氏白粉病菌(Blumeria graminisf. sp.tritici)引起的真菌性病害, 是我國(guó)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)僅次于赤霉病的第二大病害。小麥-黑麥易位系1B/1R所攜帶的Pm8是我國(guó)20世紀(jì)70—80年代中期應(yīng)用最廣泛的抗白粉病基因,其抗性已在全國(guó)各地喪失[20], 該基因在長(zhǎng)江下游麥區(qū)應(yīng)用較少。本世紀(jì)初長(zhǎng)江中下游麥區(qū)利用Pm4a和Pm2相繼育成揚(yáng)麥10號(hào)(含Pm4a)、揚(yáng)麥11 (含Pm4a)、揚(yáng)麥12 (含Pm2)、揚(yáng)麥13 (含Pm2)等抗白粉病品種[21], 并在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用, 近年來(lái)這些品種在本麥區(qū)出現(xiàn)抗性喪失的現(xiàn)象。小麥-簇毛麥易位系6AL/6VS所含的Pm21是目前抗譜最廣、抗性最強(qiáng)的抗白粉病基因[22-23], 長(zhǎng)江中下游麥區(qū)利用該基因育成了揚(yáng)麥18、揚(yáng)麥21、鎮(zhèn)麥9號(hào)等多個(gè)抗白粉病品種[24]。

小麥黃花葉病是由禾谷多黏菌(Polymyxa graminis)為小麥黃花葉病毒(Wheat yellow mosaic virus, WYMV)傳播介體的春季病害, 在我國(guó)長(zhǎng)江流域和黃淮麥區(qū)都有發(fā)生[25]。小麥發(fā)病后一般產(chǎn)量損失10%~30%[26]。小麥黃花葉病是土傳性病害, 常規(guī)藥劑防治方法難以控制。由于長(zhǎng)江中下游麥區(qū)推廣品種中抗病品種較少, 該病害呈逐漸蔓延態(tài)勢(shì)。對(duì)揚(yáng)輻9311[27]、Ibis[28]、Yumechikara[29]、儀寧小麥[30]等抗源的遺傳研究表明, 這些材料的主效黃花葉病抗病QTL均定位于2DL染色體上。在5AL上還定位到來(lái)自小麥品種西風(fēng)的抗黃花葉病主效QTLQYm.nau-5A.1[31]。Zhu等[31]對(duì)34個(gè)抗黃花葉病品種的檢測(cè)表明, 10個(gè)品種只含有QYm.nau-5A.1, 17個(gè)品種只含有QYm.nau-2D, 2個(gè)品種同時(shí)含有上述2個(gè)QTL, 品種的抗性QTL組成存在分化。長(zhǎng)江下游麥區(qū)利用西風(fēng)育成了抗黃花葉病品種寧麥9號(hào)和蘇麥5號(hào)[32], 利用揚(yáng)輻9311育成了抗黃花葉病品種揚(yáng)輻麥5號(hào)[33]。

近年來(lái)隨著小麥播期的推遲, 小麥赤霉病的流行頻率和為害程度增加, 同時(shí)小麥白粉病和黃花葉病的發(fā)病面積擴(kuò)大, 需要進(jìn)一步提高生產(chǎn)推廣品種對(duì)上述病害的抗性, 保證小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。目前小麥抗病育種還主要依賴(lài)表型選擇, 選擇效率受環(huán)境影響大, 易在選擇過(guò)程中發(fā)生抗病基因丟失的現(xiàn)象。小麥抗赤霉病、白粉病和黃花葉病基因/QTL發(fā)掘和緊密連鎖標(biāo)記開(kāi)發(fā), 為抗病分子育種提供材料和方法。揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)及其衍生品種是長(zhǎng)江下游麥區(qū)的主要應(yīng)用品種, 親緣系數(shù)分析表明兩類(lèi)品種間存在一定的遺傳差異[34], 但對(duì)其主要病害抗病基因/QTL的組成和分布還缺少了解, 限制了抗病基因在育種中應(yīng)用。本研究對(duì)長(zhǎng)江下游麥區(qū)當(dāng)前推廣品種、新育成品種(系)的小麥赤霉病、白粉病和黃花葉病進(jìn)行鑒定, 同時(shí)利用相關(guān)抗病基因/QTL緊密連鎖標(biāo)記對(duì)其所含的抗病基因/QTL進(jìn)行分子鑒定,追溯抗病基因來(lái)源、組成及分布頻率, 以期為本麥區(qū)抗病分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種共49個(gè), 包括長(zhǎng)江下游麥區(qū)當(dāng)前推廣品種、2000年后新育成品種和區(qū)試中表現(xiàn)突出的品系以及揚(yáng)麥5號(hào)、揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)3個(gè)長(zhǎng)江下游麥區(qū)當(dāng)前育成品種的骨干親本(附表1)。以蘇麥3號(hào)為含小麥抗赤霉病基因Fhb1和QFhs.crc-2D的對(duì)照品種, 鎮(zhèn)麥9號(hào)為含抗白粉病基因Pm21的對(duì)照品種, 以西風(fēng)和蘇麥6號(hào)分別為含小麥黃花葉病主效抗性QTLQYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D的對(duì)照品種。

1.2 試驗(yàn)品種(系)的抗病性鑒定

1.2.1 小麥白粉病 2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬(wàn)福試驗(yàn)基地(江蘇揚(yáng)州)進(jìn)行成株期抗病性鑒定。每品種2行, 行長(zhǎng)1.4 m, 行距0.23 m,每行50粒, 每50行種植1組抗、感病對(duì)照品種鎮(zhèn)麥9號(hào)和揚(yáng)麥15。當(dāng)揚(yáng)麥15充分發(fā)病時(shí), 調(diào)查試驗(yàn)品種的病害發(fā)生情況。抗性等級(jí)按盛寶欽[35]的0~4級(jí)分類(lèi)方法記錄, 0級(jí)為免疫(IM), 植株無(wú)病斑; 1級(jí)為高抗(HR), 病斑直徑小l mm, 菌絲層稀薄, 可見(jiàn)綠色葉面, 偶見(jiàn)較大病斑, 但仍透綠, 產(chǎn)孢量極少;2級(jí)為中抗(MR), 葉片病斑直徑小于l mm, 但菌絲層較厚, 不透綠, 能產(chǎn)生一定量孢子; 3級(jí)為中感(MS), 葉片病斑多, 且直徑大于l mm, 菌絲層厚,產(chǎn)孢量大, 但病斑不連片; 4級(jí)為高感(HS), 葉片病斑直徑大于l mm, 菌絲層厚, 產(chǎn)孢量多, 病斑連片。

1.2.2 小麥赤霉病 2017年和2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬(wàn)福試驗(yàn)基地采用單花滴注進(jìn)行赤霉病抗性鑒定。于小麥開(kāi)花初期, 用注射器吸取10 μL孢子液注入麥穗自頂部小穗開(kāi)始自上而下第6個(gè)小穗的任意一個(gè)小花中, 每個(gè)品種接種20個(gè)單穗, 并用彌霧裝置定時(shí)噴水保濕, 接種后21 d調(diào)查赤霉病發(fā)生數(shù)據(jù), 計(jì)算平均病小穗數(shù)及嚴(yán)重度。抗性等級(jí)按胡文靜等[36]的4級(jí)分類(lèi)方法記錄。

1.2.3 小麥黃花葉病 2017年和2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬(wàn)福試驗(yàn)基地小麥黃花葉病圃中鑒定。每品種2行, 行長(zhǎng)1.4 m, 行距0.23 m,每行50粒, 每50行種植1組抗、感病對(duì)照品種寧麥9號(hào)和揚(yáng)麥15。于春季2月下旬發(fā)病盛期進(jìn)行發(fā)病程度調(diào)查, 采用0~4級(jí)的方法記錄。0級(jí): 無(wú)病癥; 1級(jí): 部分葉片輕度黃化, 無(wú)明顯條紋壞死斑和黃化現(xiàn)象; 2級(jí): 花葉和條紋斑明顯, 部分葉片黃化, 少數(shù)枯死, 植株輕度矮縮; 3級(jí): 心葉嚴(yán)重花葉, 或是扭曲或是縮頂狀, 全部黃化矮縮, 部分葉片和分蘗和整株枯死。0級(jí)為抗病類(lèi)型, 1、2、3級(jí)為感病類(lèi)型。

1.3 抗病基因的分子標(biāo)記檢測(cè)

采用CTAB法提取小麥基因組DNA。利用與小麥抗赤霉病、白粉病和黃花葉病基因/QTL緊密連鎖標(biāo)記對(duì)試驗(yàn)品種進(jìn)行擴(kuò)增(表1)。采用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳及銀染技術(shù)檢測(cè)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物。品種(系)具有與對(duì)照品種一致的抗性擴(kuò)增條帶, 記為“+”, 反之記為“–”。

表1 試驗(yàn)品種抗病基因/QTL分型所用的標(biāo)記Table 1 Markers closely linked with the disease resistance genes/QTLs for genotyping in the tested varieties

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)品種抗赤霉病抗性及抗病QTL組成

試驗(yàn)品種的抗性存在較大差異。僅有揚(yáng)16-157為抗(R); 23個(gè)品種為中抗(MR), 占46.9%; 21個(gè)品種為中感(MS), 占42.9%; 4個(gè)品種為感(S)。

利用Fhb1診斷標(biāo)記His3B-4對(duì)試驗(yàn)品種進(jìn)行擴(kuò)增顯示, 15個(gè)品種擴(kuò)增出與對(duì)照品種蘇麥3號(hào)相同的抗性條帶(圖1), 表明這些品種均含有抗赤霉病基因Fhb1, 占試驗(yàn)品種的30.6%, 這其中12個(gè)為寧麥9號(hào)及其衍生品種(圖2), 推測(cè)這些品種的Fhb1來(lái)自寧麥9號(hào)。此外, 揚(yáng)14-122、金豐0515和國(guó)紅9號(hào)系譜上與寧麥9號(hào)無(wú)親緣關(guān)系, 但也檢測(cè)到含有Fhb1。15個(gè)含有Fhb1的品種(系)中揚(yáng)16-157的抗性與抗赤霉病對(duì)照品種蘇麥3號(hào)相當(dāng), 也超過(guò)其雙親的抗性水平, 10個(gè)品種為MR, 4個(gè)品種為MS, 無(wú)感病品種。

國(guó)紅6號(hào)(揚(yáng)麥11/揚(yáng)麥18)、揚(yáng)麥30 (揚(yáng)09紋1009/揚(yáng)麥18)、揚(yáng)13-32 (揚(yáng)麥9號(hào)/揚(yáng)麥18)、揚(yáng)輻麥6號(hào)(揚(yáng)輻麥4號(hào)/揚(yáng)麥14M1)和揚(yáng)輻麥10號(hào)(揚(yáng)輻麥4號(hào)/揚(yáng)麥19F1輻照)等寧麥9號(hào)衍生品種未能檢測(cè)出Fhb1抗性條帶, 表明這些品種不含F(xiàn)hb1, 占寧麥9號(hào)衍生品種的31.2%, 這些品種的赤霉病抗性為MS~MR。

利用gwm539對(duì)試驗(yàn)品種進(jìn)行擴(kuò)增, 結(jié)果顯示有36個(gè)品種擴(kuò)增出QFhs.crc-2D抗性條帶(圖1), 占試驗(yàn)品種的73.5%, 這其中32個(gè)為揚(yáng)麥158或揚(yáng)麥5號(hào)衍生品種, 寧麥9號(hào)衍生品種寧麥13、揚(yáng)麥18和揚(yáng)輻麥4號(hào)也含有QFhs.crc-2D(圖2)。揚(yáng)麥158和寧麥8號(hào)分別是揚(yáng)麥18和揚(yáng)輻麥4號(hào)的親本之一, 寧麥8號(hào)(揚(yáng)麥5號(hào)/揚(yáng)麥6號(hào))為揚(yáng)麥5號(hào)衍生品種, 這2個(gè)品種的QFhs.crc-2D來(lái)自于分別揚(yáng)麥158和揚(yáng)麥5號(hào)。此外寧麥13、襄麥25、鄂麥170與揚(yáng)麥158和揚(yáng)麥5號(hào)無(wú)親緣關(guān)系, 但也含有QFhs.crc-2D。含QFhs.crc-2D的品種 (系)中無(wú)抗赤霉病品種, 15個(gè)品種為MR, 17個(gè)品種為MS, 4個(gè)品種為S。

試驗(yàn)品種中還有寧麥13、揚(yáng)麥18和金豐0515同時(shí)含有Fhb1和QFhs.crc-2D,這3個(gè)品種為中抗赤霉病。

2.2 試驗(yàn)品種的小麥白粉病抗性及Pm21組成

試驗(yàn)品種中有16個(gè)品種表現(xiàn)為白粉病免疫(IM)或抗(R), 占32.6%, 揚(yáng)麥11、揚(yáng)麥19和揚(yáng)麥20共3個(gè)品種表現(xiàn)中感(MS), 其余品種都為高感白粉病(HS)。

以Pm21的功能標(biāo)記MBH1對(duì)試驗(yàn)品種擴(kuò)增, 14個(gè)品種能擴(kuò)增出Pm21的特異片段(圖3), 表明這些品種含有Pm21, 占試驗(yàn)品種的28.6%, 這其中5個(gè)為揚(yáng)麥18及其衍生品種, 6個(gè)為鎮(zhèn)麥9號(hào)及其衍生品種(圖4), 推測(cè)這些品種的Pm21來(lái)自鎮(zhèn)麥9號(hào)和揚(yáng)麥18。鎮(zhèn)麥9號(hào)(系譜為蘇麥6號(hào)/揚(yáng)97G59)的親本之一蘇麥6號(hào)不含Pm21, 揚(yáng)麥18 (系譜為寧麥9號(hào)4/3/揚(yáng)麥1586//揚(yáng)88-128/南農(nóng)P045)的2個(gè)輪回親本揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)均不含Pm21, 另一親本揚(yáng)88-128為感白粉病品種, 因此鎮(zhèn)麥9號(hào)和揚(yáng)麥18的Pm21應(yīng)分別來(lái)自于揚(yáng)97G59和南農(nóng)P045。此外安農(nóng)1124 (系譜為02P67/安農(nóng)95081-8), 其雙親02P67 (系譜為92R91/揚(yáng)麥158//揚(yáng)麥158)和安農(nóng)95081-8 (系譜為豫麥18/揚(yáng)麥158)的親本豫麥18和揚(yáng)麥158都為感白粉病品種, 因此安農(nóng)1124的Pm21應(yīng)來(lái)自92R91。揚(yáng)14-214 (系譜為揚(yáng)麥162/92R137)和揚(yáng)麥22 (系譜為揚(yáng)麥9號(hào)3/97033-2)的輪回親本分別為揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥9號(hào), 這2個(gè)品種都不抗白粉病, 其抗病基因應(yīng)分別來(lái)自92R137和97033-2。此外金豐0515和襄麥25白粉病為抗(R), 分子檢測(cè)不含Pm21, 其白粉病抗性有待進(jìn)一步研究。揚(yáng)麥11、揚(yáng)麥19和揚(yáng)麥20其白粉病抗性?xún)H達(dá)中感(MS), 表明其所含抗白粉病基因Pm4a在本麥區(qū)已失去抗性。試驗(yàn)品種中鎮(zhèn)麥168和國(guó)紅6號(hào)雖然其親本含有白粉病抗源揚(yáng)97G59和揚(yáng)麥18, 但表現(xiàn)為高感白粉病, 分子檢測(cè)也不含有Pm21。

2.3 小麥抗黃花葉病抗性及QTL組成

試驗(yàn)品種中有23個(gè)品種抗小麥黃花葉病, 占46.9%, 感病品種的感病程度也存在一定差異, 寧麥13和蘇麥899雖然表現(xiàn)感病, 但感病等級(jí)為1級(jí), 而揚(yáng)麥158、揚(yáng)麥16等品種的感病等級(jí)為3級(jí)。

用wmc415對(duì)試驗(yàn)品種擴(kuò)增, 12個(gè)品種能擴(kuò)增出與對(duì)照西風(fēng)相同的抗病條帶(圖5), 表明這些品種含QYm.nau-5A.1, 均表現(xiàn)為抗小麥黃花葉病, 占試驗(yàn)品種的24.5%, 這其中10個(gè)為寧麥9號(hào)及其衍生品種(圖6), 占含QYm.nau-5A.1品種的83.3%。此外安農(nóng)1124和國(guó)紅9號(hào)分子檢測(cè)也含QYm.nau-5A.1,但其系譜上與寧麥9號(hào)無(wú)親緣關(guān)系, 可能是QYm.nau-5A.1新來(lái)源。此外試驗(yàn)品種中還有9個(gè)寧麥9號(hào)衍生品種標(biāo)記檢測(cè)不含QYm.nau-5A.1, 占寧麥9號(hào)衍生品種的47.4%, 這些品種也不抗小麥黃花葉病。

用wmc41對(duì)試驗(yàn)品種擴(kuò)增, 12個(gè)品種能擴(kuò)增出對(duì)照蘇麥6號(hào)相同的抗病條帶(圖5), 占試驗(yàn)品種的24.5%, 除明麥133外, 其余11個(gè)分子檢測(cè)陽(yáng)性品種都表現(xiàn)為抗病, 表明這些品種含QYm.nau-2D, 這其中8個(gè)為蘇麥6號(hào)及其衍生品種(圖6), 占含QYm.nau-2D品種的72.7%。揚(yáng)麥23 (揚(yáng)麥16/揚(yáng)輻9311)的親本之一揚(yáng)麥16為感病品種, 因此其所含的QYm.nau-2D應(yīng)來(lái)自揚(yáng)輻9311。揚(yáng)輻麥10和國(guó)紅6號(hào)所含的QYm.nau-2D還需研究。試驗(yàn)品種還有揚(yáng)14-122和金豐0515等蘇麥6號(hào)衍生品種標(biāo)記檢測(cè)不含QYm.nau-2D, 占蘇麥6號(hào)衍生品種的21.4%, 這些品種均為感病(S)。試驗(yàn)品種含QYm.nau-5A.1的多數(shù)為寧麥9號(hào)及其衍生品種, 含QYm.nau-2D的多數(shù)為蘇麥6號(hào)及其衍生品種, 只有揚(yáng)14-179同時(shí)含有2個(gè)QTL, 其余品種只含有其中一個(gè)QTL, 表明試驗(yàn)品種在小麥黃花葉病抗性QTL組成上存在分化。

3 討論

Pm4a、Pm2和Pm21是長(zhǎng)江下游麥區(qū)應(yīng)用最多的抗白粉病基因, 試驗(yàn)品種中揚(yáng)麥11 (Pm4a)、揚(yáng)麥19 (Pm4a)和揚(yáng)麥20 (Pm4a)的白粉病抗性為中感(MS), 揚(yáng)麥13 (含Pm2)為高感白粉病, 表明這2個(gè)基因在本麥區(qū)已失去抗性, 這與Bie等[24]結(jié)果一致。長(zhǎng)江下游麥區(qū)當(dāng)前主栽品種揚(yáng)麥16、寧麥13、揚(yáng)輻麥4號(hào)、揚(yáng)麥23均不含上述任何抗白粉病基因, 田間表現(xiàn)為感白粉病。近年來(lái), 長(zhǎng)江下游麥區(qū)育成揚(yáng)麥18、揚(yáng)麥22、鎮(zhèn)麥9號(hào)和鎮(zhèn)麥10號(hào)等一些含有Pm21的抗白粉病品種, 這些品種的應(yīng)用面積不大,小麥生產(chǎn)的主導(dǎo)品種仍是揚(yáng)麥16等本世紀(jì)初育成的品種, 未能改變當(dāng)前小麥生產(chǎn)應(yīng)用品種白粉病抗性整體偏弱的局面。新育成品系中含Pm21的品系比例明顯上升, 其基因供體主要為揚(yáng)麥18和鎮(zhèn)麥9號(hào)。與Pm21的原始供體92R系列、P045等材料相比, 揚(yáng)麥18和鎮(zhèn)麥9號(hào)的綜合農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量水平得到大幅提升, 因此以其為親本育成品種的能力顯著上升, 使得Pm21在新品系中快速擴(kuò)散。本研究中含Pm21的新品系多數(shù)為江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成, 由于其選種環(huán)境白粉病自然選擇壓大,使得Pm21在后代選擇中容易保留。因此, 在白粉病發(fā)生充分的環(huán)境下, 通過(guò)表型選擇可以實(shí)現(xiàn)對(duì)抗病基因的選擇。

揚(yáng)麥18和鎮(zhèn)麥9號(hào)的Pm21都來(lái)自于小麥-簇毛麥6AL/6VS易位系[24], 安農(nóng)1124和揚(yáng)14-214所含Pm21分別來(lái)自于92R91和92R137, 這2個(gè)材料也是含Pm21的小麥-簇毛麥6AL/6VS易位系[22], 揚(yáng)麥22的抗白粉病基因來(lái)自小麥-簇毛麥T6DL/6VS易位系PmV[24]。江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所近期研究表明,Pm21和PmV高度同源, 均為具有CCNBS-LRR結(jié)構(gòu)域的典型RGA類(lèi)基因。當(dāng)前長(zhǎng)江下游麥區(qū)抗病品種的抗白粉病基因單一, 存在著Pm21加速抗性喪失的潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),Pm21供體品種揚(yáng)麥18和鎮(zhèn)麥9號(hào)在育種中高頻率使用, 也使新品種(系)的遺傳多樣性過(guò)于狹窄, 未來(lái)品種的綜合農(nóng)藝性狀難以突破。因此, 亟需引入新的白粉病后備抗源(或基因)。此外本研究中金豐0515和襄麥25在揚(yáng)州表現(xiàn)抗白粉病, 具有較好的農(nóng)藝性狀, 是Pm21外新的抗白粉病材料, 要加強(qiáng)其所含白粉病基因研究和利用。近20年來(lái), 大批新的Pm基因相繼發(fā)現(xiàn)[37],加快這些基因的利用, 可有效解決抗白粉病基因單一化的局面, 同時(shí)對(duì)延長(zhǎng)抗病品種和Pm21的利用周期有重要意義。

本研究結(jié)果表明, 試驗(yàn)品種中QYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D的載體品種可清晰的分成寧麥9號(hào)和蘇麥6號(hào)衍生品種兩類(lèi), 小麥抗黃花葉病品種的抗病QTL組成的分化現(xiàn)象也存在其他研究結(jié)果中[30-31]。本研究試驗(yàn)品種的QYm.nau-5A.1多來(lái)自于寧麥9號(hào)(揚(yáng)麥6號(hào)/西風(fēng)),QYm.nau-5A.1是西風(fēng)的抗小麥黃花葉病主效QTL[31], 因此寧麥9號(hào)及其衍生品種的QYm.nau-5A.1應(yīng)都來(lái)自于西風(fēng)。試驗(yàn)品種中QYm.nau-2D多來(lái)自蘇麥6號(hào)(6698白/揚(yáng)麥5號(hào)), 揚(yáng)麥5號(hào)為感病品種, 分子檢測(cè)也不含QYm.nau-2D,蘇麥6號(hào)的抗性應(yīng)來(lái)自于另一親本6698白(安徽11/毛穎阿夫//豐產(chǎn)3號(hào)///大豐1087)。蘇麥6號(hào)與已報(bào)道的含位于2D上的抗病QTL中國(guó)抗源揚(yáng)輻9311(揚(yáng)麥3號(hào)/高加索)、儀寧小麥(江都1號(hào)/ST1472/506γ輻射)、鄭麥9023 ({(小偃6號(hào)×西農(nóng)65)×[83(2)3-3×84(14)43]}F3×陜213)無(wú)系譜關(guān)系, 說(shuō)明小麥2D上的小麥抗黃花葉病主效QTL廣泛存在于我國(guó)不同麥區(qū)的抗病品種中。本研究中有47.4%的寧麥9號(hào)衍生品種不含QYm.nau-5A.1, 21.4%的蘇麥6號(hào)衍生品種不含QYm.nau-2D, 表明這些品種的抗病基因在選擇過(guò)程中丟失。本研究所用的2個(gè)小麥抗黃花葉病QTL效應(yīng)較大, 單個(gè)QTL足以應(yīng)對(duì)黃花葉病為害,因此標(biāo)記輔助選擇(MAS)的效率較高。在育種早代可優(yōu)先農(nóng)藝性狀選擇, 待主要農(nóng)藝性狀基本穩(wěn)定后,輔之抗病基因的標(biāo)記選擇, 這樣不僅可解決抗性基因丟失的問(wèn)題, 還可較好解決抗病性和農(nóng)藝性狀結(jié)合的問(wèn)題, 提高抗病品種的育成效率。

揚(yáng)麥和寧麥系列品種是我國(guó)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用的主要中抗赤霉病品種, 系譜上與我國(guó)抗赤霉病品種蘇麥3號(hào)無(wú)親緣關(guān)系。寧麥9號(hào)及其衍生品種是中國(guó)小麥品種Fhb1的主要載體品種[7], 本研究中含F(xiàn)hb1品種也多為寧麥9號(hào)及其衍生品種。對(duì)揚(yáng)麥158和揚(yáng)麥16的赤霉病抗性遺傳研究表明, 兩品種的抗性遺傳機(jī)制與蘇麥3號(hào)不同, 揚(yáng)麥158的赤霉病抗性主要由2DL、2DS、3AL和7AS 上的QTL提供[10], 而揚(yáng)麥16的抗性QTL位于2DL、3BL、4DS、5BL和6AS上[11], 2DL上的抗赤霉病QTL是2品種所共有的。本研究中多數(shù)揚(yáng)麥158或揚(yáng)麥5號(hào)衍生品種不含F(xiàn)hb1, 但含此抗病QTL。2D上的抗赤霉病QTL也是Wuhan-1[12]、VA00W-38[13]、Shanghai-3/Catbird[14]、Soru#1[15]、Kenyon[16]、C615[17]和揚(yáng)麥13[38]等不含F(xiàn)hb1材料赤霉病抗性的主要來(lái)源之一, 這都表明此QTL是除Fhb1外的另一個(gè)廣泛存在于小麥品種中的重要赤霉病抗性位點(diǎn)。

赤霉病抗性和豐產(chǎn)性結(jié)合一直是小麥抗赤霉病育種的難題[39]。揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)及其衍生品種一直是長(zhǎng)江下游麥區(qū)的主栽品種, 本研究表明兩類(lèi)品種在抗赤霉病主效位點(diǎn)Fhb1和QFhs.crc-2D組成上存在分化。因此, 聚合這兩類(lèi)品種的主效抗性位點(diǎn)更易取得后代品系的豐產(chǎn)性和赤霉病抗性在更高水平上的結(jié)合, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小麥抗赤霉病育種的突破。Fhb1的抗性效應(yīng)已在我國(guó)黃淮麥區(qū)的抗赤霉病育種中得到驗(yàn)證[5], 而QFhs.crc-2D的效應(yīng)在不同環(huán)境表現(xiàn)穩(wěn)定性略顯不足[10-12,16,19,38], 其MAS育種效率仍需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)。因此, 將Fhb1導(dǎo)入揚(yáng)麥主體品種中, 聚合Fhb1和原本抗性?xún)?yōu)異的揚(yáng)麥系列品種的本底抗性是當(dāng)前值得期待的提高長(zhǎng)江中下游麥區(qū)品種赤霉病總體抗性的方法。

小麥基因組中的基因在染色體上不是均等分布的, 存在基因富集區(qū)域[40]。小麥第1、2、3群的短臂和5、6群的長(zhǎng)臂是抗病基因的熱點(diǎn)區(qū)域[41]。小麥3BS上存在抗赤霉病基因Fhb1[42], 還存在抗稈銹病基因Sr2和抗葉銹病基因Lr27[43],Sr2與Fhb1呈互斥相連鎖, 與Fhb1連鎖標(biāo)記gwm533的遺傳距離僅為0.4 cM[44]。此外在3BS上還定位到與小麥生育后期葉片延綠性[45-48]、灌漿速率[49]和千粒重[47,49]相關(guān)的QTL, 且都與gwm533連鎖。由于控制性狀的基因或QTL位置靠近, 對(duì)某一基因的強(qiáng)烈選擇, 就會(huì)對(duì)附近區(qū)域的其他基因產(chǎn)生選擇牽連效應(yīng), 并降低基因組這一區(qū)域的遺傳多樣性[50]。葉片的延綠性對(duì)提高小麥產(chǎn)量和抗逆性有重要作用, 是小麥生育后期的重要選擇性狀。寧麥9號(hào)及其衍生品種生育后期葉片延綠性高于揚(yáng)麥158衍生品種[51], 寧麥9號(hào)衍生品種是Fhb1的載體品種, 育種者對(duì)葉片延綠性的選擇偏好, 就會(huì)產(chǎn)生對(duì)Fhb1的選擇牽連, 使得葉片延綠QTL和Fhb1作為1個(gè)單倍型向后代遺傳, 這可能是揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)及其衍生品種在延綠性和Fhb1組成分化的重要原因。

小麥5AL上存在抗黃花葉病主效QTLQYm.nau-5A.1[31]。江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所在寧麥9號(hào)系選品種寧麥13的5AL上(物理位置為650.0 Mb)定位到與小麥基部小穗結(jié)實(shí)性的QTL, 此QTL與QYm.nau-5A.1(共分離標(biāo)記wmc415物理位置為535.1 Mb)存在一定程度的連鎖。穗部結(jié)實(shí)性是寧麥系列品種產(chǎn)量改良的重要選擇性狀[52], 寧麥系列品種含有較多的結(jié)實(shí)性有利等位變異, 其頂部和基部結(jié)實(shí)率也高于揚(yáng)麥系列品種[53]。寧麥系列品種對(duì)結(jié)實(shí)性的強(qiáng)烈選擇, 牽連對(duì)QYm.nau-5A.1抗病單倍型的選擇, 這可能是揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)及其衍生品種在結(jié)實(shí)性和QYm.nau-5A.1組成分化的重要原因。

小麥2DL上存在小麥抗黃花葉病主效QTLQYm.nau-2D[27-30], 在2DL上還存在控制小麥多酚氧化酶(PPO)活性基因Ppo-2DL[54], 其與QYm.nau-2D的診斷標(biāo)記wmc41遺傳距離僅有0.8 cM。QYm.nau-2D也是本研究中蘇麥6號(hào)及其衍生品種小麥黃花葉病的主要抗性來(lái)源, 用Ppo-D1的STS標(biāo)記[55]對(duì)試驗(yàn)品種檢測(cè), 含QYm.nau-2D的小麥抗黃花葉病的11個(gè)試驗(yàn)品種均為高PPO活性的Ppo-D1b單倍型, 表明QYm.nau-2D與Ppo-D1b存在連鎖。在小麥2DL上還存在抗赤霉病QTLQFhs.crc-2D[10-12,14-17], 并與SSR標(biāo)記gwm539 (物理位置為515.2 Mb)連鎖, 其與QYm.nau-2D(共分離標(biāo)記wmc41物理位置為577.4 Mb)僅相距62.2 Mb。姜朋等[56]以寧麥9號(hào)衍生系群體為材料, 在2DL的gwm539位點(diǎn)關(guān)聯(lián)到與小麥蛋白質(zhì)含量相關(guān)的QTL。蛋白質(zhì)含量是小麥品種分類(lèi)的重要指標(biāo), 寧麥9號(hào)衍生品種多為蛋白質(zhì)含量較低類(lèi)型, 與揚(yáng)麥158衍生品種有明顯差異, 兩類(lèi)品種品質(zhì)類(lèi)型的差異與小麥赤霉病和黃花葉病抗性位點(diǎn)組成上差異是否存在關(guān)聯(lián)需進(jìn)一步研究。

同一染色體區(qū)段的基因呈相斥相連鎖在小麥中較為普遍, 如位于小麥2BL上抗白粉病基因Pm64和抗葉銹病基因Lr5[57], 3BS上抗赤霉病基因Fhb1和抗稈銹病基因Sr2[44]。這些呈互斥相連鎖的基因必須通過(guò)遺傳重組打破連鎖, 構(gòu)建2個(gè)基因新的單倍型組合, 才能使2個(gè)基因得到有效利用。通過(guò)這一方法將QYm.nau-2D和Ppo-D1a連鎖在一起成為1個(gè)單倍型, 進(jìn)而創(chuàng)制QFhs.crc-2D+QYm.nau-2D+Ppo-D1a性狀聚合的單倍型, 不僅可減輕由于鎮(zhèn)麥9號(hào)應(yīng)用帶來(lái)的面粉色澤較差的不利效應(yīng), 同時(shí)還可提高其育種價(jià)值。本研究試驗(yàn)品種中鎮(zhèn)麥9號(hào)和揚(yáng)麥18均含有小麥赤霉病、白粉病和黃花葉病多個(gè)抗病基因, 因而對(duì)上述病害均具有較好的抗性,這也是其在育種中得到大量應(yīng)用的重要原因。

4 結(jié)論

長(zhǎng)江下游麥區(qū)當(dāng)前推廣品種和新育成品種(系)在小麥抗赤霉病和黃花葉病主效QTL組成上存在分化,根據(jù)2種病害抗性QTL組成分為揚(yáng)麥158和寧麥9號(hào)衍生品種兩類(lèi)。聚合揚(yáng)麥和寧麥系列品種的赤霉病抗性, 是進(jìn)一步提高長(zhǎng)江下游麥區(qū)小麥品種的赤霉病抗性重要途徑。Pm21是當(dāng)前長(zhǎng)江下游唯一有效的抗白粉病基因, 應(yīng)加快后備抗源(基因)的利用。

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