張眉,郭霞,辛志梅,王升吉,辛相啟,姜珊珊,吳斌
(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/山東省植物病毒學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250100)
小麥?zhǔn)巧綎|省主要糧食作物,其產(chǎn)量和品質(zhì)極大關(guān)系著糧食安全[1]。小麥白粉病是小麥的主要病害之一,多以病菌孢子隨氣流傳播,具有流行速度快、危害范圍廣、控制難度大等特點(diǎn)。近年來(lái)發(fā)生頻繁,危害損失嚴(yán)重,已逐漸成為限制小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的主要因素之一,嚴(yán)重威脅著小麥的安全生產(chǎn)[2,3]。在眾多防治措施中,選育和應(yīng)用優(yōu)質(zhì)、抗病品種是防治小麥白粉病最經(jīng)濟(jì)有效的措施。由于小麥白粉病菌具有高度變異性,不同地區(qū)之間的群體結(jié)構(gòu)存在差異,因此加強(qiáng)小麥白粉病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)研究、充分利用抗病品種的有效性,可有效降低白粉病對(duì)小麥產(chǎn)量帶來(lái)的不利影響[4,5]。
目前國(guó)內(nèi)外普遍采用一套已知抗性基因品種(系)進(jìn)行小麥白粉病菌群體毒性結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。Parks[6]和EI-Shamy[7]等分別于2008年和2016年應(yīng)用已知抗白粉病基因材料監(jiān)測(cè)了2003—2005年美國(guó)東南部和2013—2014年埃及小麥白粉病菌的群體毒性結(jié)構(gòu)。該技術(shù)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,逐漸應(yīng)用于我國(guó)部分?。ㄊ校┬←湴追鄄【后w的毒性監(jiān)測(cè)研究中,近幾年來(lái)很多研究者采用該方法對(duì)陜西、河南、新疆、四川、山東、甘肅、黑龍江[5,8-13]等小麥主要產(chǎn)區(qū)白粉病菌的毒性結(jié)構(gòu)開(kāi)展大量研究,基本明確了各地小麥白粉病菌的毒性基因頻率和有效抗病基因組成。
小麥白粉病菌的毒性頻率是動(dòng)態(tài)變化的,因此本研究采用鑒別寄主毒性監(jiān)測(cè)方法[14],對(duì)2018年山東省不同地區(qū)小麥白粉病菌的群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行毒性鑒定和分析,并與2015年對(duì)山東省小麥白粉病菌的毒性監(jiān)測(cè)結(jié)果[11]做比較,旨在為山東省推廣抗病品種及品種合理布局提供有力依據(jù)。
供試菌株:于2018年5—6月小麥白粉病高發(fā)期,在山東省德州、煙臺(tái)、濟(jì)南、濟(jì)寧、聊城、臨沂6市共16個(gè)地點(diǎn)采集小麥白粉病葉(表1),自然晾干后,每片病葉隔離放置并于4℃保存。
鑒別寄主:共31個(gè)小麥品種,均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供;濟(jì)南15為當(dāng)?shù)仄贩N,作為感病對(duì)照(表2)。小麥白粉病菌的分離、純化和擴(kuò)繁均采用濟(jì)南15。
表1 小麥白粉病菌供試菌株信息
將保存于4℃的小麥白粉病葉浸泡于清水中,使休眠的閉囊殼萌發(fā)。挑取萌發(fā)好的閉囊殼至噴濕小麥葉片的霧滴中,罩上帶6層紗布的玻璃罩使其在16~20℃溫度下隔離保濕培養(yǎng)。剪下有單孢子萌發(fā)的葉片,掃涂于1葉1心期的濟(jì)南15麥苗上隔離保濕培養(yǎng),即形成單孢子菌源,擴(kuò)繁一次備用,總共得到62株單孢子堆菌株。
利用31個(gè)已知抗病基因的鑒別寄主和1個(gè)感病對(duì)照(濟(jì)南15)對(duì)所有供試菌株進(jìn)行毒性鑒定,分別將擴(kuò)繁好的小麥白粉病菌掃涂于鑒別寄主苗上,每個(gè)菌株兩次重復(fù),每盆10株麥苗。在16~20℃溫室中隔離培養(yǎng),接種10天后調(diào)查發(fā)病程度。參考司權(quán)民等[15]的調(diào)查方法,記載接菌葉片的病情反應(yīng)型,其中0、0;、1和2型為抗病反應(yīng)型,3和4型為感病反應(yīng)型,并計(jì)算毒性頻率。毒性頻率(%)=毒力菌株/供試菌株×100。
根據(jù)毒性鑒定結(jié)果,將有毒性的菌株記為“1”,無(wú)毒性的記為“0”。利用統(tǒng)計(jì)分析軟件NTSYS pc 2.11對(duì)小麥白粉病菌群體毒性矩陣進(jìn)行UPGMA聚類分析[16]。
利用32個(gè)寄主對(duì)德州、煙臺(tái)、濟(jì)寧、濟(jì)南、聊城、臨沂6市供試小麥白粉病菌株分別進(jìn)行毒性鑒定,結(jié)果(表2)顯示,62個(gè)菌株對(duì)濟(jì)南15的毒性頻率均為100%,除了鑒別寄主中的兩個(gè)對(duì)照(Chancellor、阿夫)和當(dāng)?shù)馗胁?duì)照(濟(jì)南15),德州市小麥白粉病菌群體對(duì)12個(gè)抗性基因或組合的毒性頻率高于70%,分別為Pm1a、Pm3b、Pm3c、Pm3e、Pm3f、Pm5a、Pm7、Pm8、Pm19、Pm2+Ta、Pm“Era”和Pm“XBD”;煙臺(tái)市有15個(gè),比德州市多了Pm3d、Pm6(寄主名稱為Coker747)、Pm17;濟(jì)寧市有22個(gè),比德州市多了Pm2、Pm3d、Pm4a、Pm4b、Pm5b、Pm6(寄主名稱為Coker747)、Pm6(寄主名稱為Timgalen)、Pm13、Pm2+6和Pm4+8;濟(jì)南市有23個(gè),和德州市相比,除對(duì)抗性基因Pm2+Ta低于70%外,毒性頻率高于70%的抗性基因還有Pm2、Pm3a、Pm3d、Pm4a、Pm4b、Pm5b、Pm6(寄主名稱為Coker747)、Pm6(寄主名稱為Timgalen)、Pm13、Pm17、Pm2+6和Pm2+Mld;聊城市除了Pm21、Pm1+2+9、Pm4b+5b和Pm5+6,臨沂市除了Pm21外,對(duì)其余抗性基因的毒性頻率均高于70%。說(shuō)明這些抗性基因已失去抗性。
德州市小麥白粉病菌群體對(duì)Pm4b、Pm5b、Pm21、Pm1+2+9、Pm2+6、Pm2+Mld、Pm4+8、Pm4b+5b及Pm5+6抗性基因的毒性頻率低于30%,并且對(duì)Pm4b、Pm5b、Pm21、Pm2+6、Pm 2+Mld、Pm4b+5b及Pm5+6共7個(gè)抗性基因的毒性頻率均為0;與德州市相比,煙臺(tái)市小麥白粉病菌群體對(duì)除了Pm1+2+9外的8個(gè)抗性基因的毒性頻率低于30%;濟(jì)寧市和濟(jì)南市相同,只對(duì)抗性基因Pm21和Pm1+2+9的毒性頻率低于30%;聊城市和臨沂市的小麥白粉病菌群體僅對(duì)抗性基因Pm21的毒性頻率低于30%,說(shuō)明這些抗性基因在當(dāng)?shù)厝詾橛行Щ颉?/p>
如圖1所示,除兩個(gè)鑒別寄主對(duì)照及感病對(duì)照外,62個(gè)小麥白粉病菌株對(duì)17個(gè)抗性基因或組合的毒性頻率均高于70%,分別為Pm1a、Pm3b、Pm3c、Pm3d、Pm3e、Pm3f、Pm5a、Pm6(寄主名稱為Coker747)、Pm6(寄主名稱為Timgalen)、Pm7、Pm8、Pm13、Pm17、Pm19、Pm2+Ta、Pm“Era”和Pm“XBD”,說(shuō)明這些抗性基因已失去抗性;對(duì)抗性基因Pm21、Pm4b+5b及Pm5+6的毒性頻率低于30%,其中對(duì)Pm21抗性基因的毒性頻率為0;對(duì)Pm2、Pm3a、Pm4a、Pm4b、Pm5b、Pm1+2+9、Pm2+6、Pm2+Mld及Pm4+8共9個(gè)抗性基因的毒性頻率介于37.10%~66.13%。
表2 山東省各地小麥白粉病菌株毒性頻率
由圖2可知,當(dāng)遺傳相似系數(shù)為0.67時(shí),小麥白粉病菌毒性聚類可劃分為兩個(gè)大組,第一大組包括德州市9個(gè)菌株及煙臺(tái)市21個(gè)菌株,另外還有濟(jì)南市2個(gè)菌株(JL1和JL2)及1個(gè)濟(jì)寧市菌株JR1;第二大組包括煙臺(tái)市其余4個(gè)菌株(YQ1、YQ2、YT1、YY3)、濟(jì)南市2個(gè)菌株(JL3和JL4)、濟(jì)寧市除了JR1外的9個(gè)菌株以及聊城、臨沂市的所有菌株。
62個(gè)小麥白粉病菌株毒性相似系數(shù)在0.67~1.00之間,說(shuō)明6個(gè)市的小麥白粉病菌群體間毒性存在一定差異。聚類分析結(jié)果表明,小麥白粉病菌毒性多態(tài)性與菌株地理來(lái)源有關(guān),德州與煙臺(tái)菌株多聚在一起,濟(jì)寧、聊城、臨沂市的菌株多聚在一起。
本研究對(duì)2018年采自山東省德州、煙臺(tái)、濟(jì)南、濟(jì)寧、聊城、臨沂6市共62個(gè)小麥白粉病菌株進(jìn)行了毒性監(jiān)測(cè),與2015年的毒性監(jiān)測(cè)結(jié)果[11]相比有較大變化:Pm1a、Pm4a、Pm4b、Pm17及Pm“XBD”的毒性頻率上升幅度較大,其中Pm1a、Pm17及Pm“XBD”的毒性頻率已高于80%,完全失去抗性,不能再作為抗性材料使用;Pm1+2+9、Pm2+6、Pm2和Pm5b的毒性頻率有不同程度的下降,毒性頻率在38.71%~66.13%之間,這可能與近幾年山東各地區(qū)小麥主栽品種的調(diào)整有關(guān),也可能與采樣地點(diǎn)的不同有一定關(guān)系,仍需要繼續(xù)監(jiān)測(cè);另外,新增的3個(gè)抗性基因Pm13、Pm2+Ta及Pm“Era”毒性頻率均高于70%,不能作為抗性材料使用。
本研 究 表 明,Pm1a、Pm3b、Pm3c、Pm3d、Pm3e、Pm3f、Pm5a、Pm6、Pm7、Pm8、Pm13、Pm17、Pm19、Pm2+Ta、Pm“Era”和Pm“XBD”的毒性頻率均高于70%,其中Pm1a、Pm3b、Pm3c、Pm3e、Pm3f、Pm5a、Pm7、Pm8和Pm19的毒性頻率在全國(guó)大部分地區(qū),如河南[8]、新疆[9]、四川[10]、甘肅[12]、陜西[17]等省份均偏高,但Pm13和Pm“XBD”的毒性頻率在這些省份均偏低。李強(qiáng)等[5]研究表明,Pm6、Pm17、Pm“Era”的毒性頻率在陜西省均偏低,與其他人的研究結(jié)果不一致,未見(jiàn)有關(guān)抗性基因Pm2+Ta的相關(guān)報(bào)道。本研究表明,Pm2、Pm3a、Pm4a、Pm4b、Pm5b、Pm1+2+9、Pm2+6、Pm2+Mld、Pm4+8、Pm4b+5b及Pm5+6共11個(gè)抗性基因的毒性頻率介于29.03% ~66.13%,所有供試菌株對(duì)抗性基因Pm21的毒性頻率均為0,說(shuō)明Pm21對(duì)供試小麥白粉病菌株具有極強(qiáng)的抗性,與許多研究者的報(bào)道一致[5,8,9,17,18],但也應(yīng)避免大面積單一種植而造成抗性喪失。
本研究比較了德州、煙臺(tái)、濟(jì)南、濟(jì)寧、聊城、臨沂6個(gè)市的小麥白粉菌群體之間的毒性頻率。結(jié)果表明,31個(gè)鑒別寄主,除了2個(gè)對(duì)照外,德州市小麥白粉病菌群體對(duì)12個(gè)抗性基因或組合的毒性頻率高于70%,同時(shí)對(duì)7個(gè)抗性基因的毒性頻率等于0,說(shuō)明德州市小麥白粉病菌群體普遍毒性較弱,甚至部分鑒別寄主表現(xiàn)為免疫;煙臺(tái)市有15個(gè)抗性基因的毒性頻率高于70%,可以將德州市、煙臺(tái)市篩選出的有效基因結(jié)合利用,尤其一些累加基因組合,如Pm4+8、Pm4b+5b及Pm5+6;濟(jì)寧市和濟(jì)南市分別有22、23個(gè)抗性基因的毒性頻率高于70%,而且兩市的所有菌株對(duì)抗性基因Pm1+2+9的毒性頻率均為0,這與2013年的研究結(jié)果差異較大,也與前人研究結(jié)果不盡相同[6-10],后續(xù)仍需要密切監(jiān)測(cè);聊城市除了Pm21、Pm1+2+9、Pm4b+5b和Pm5+6,臨沂市除了Pm21外,白粉病菌群體對(duì)其余抗性基因的毒性頻率均高于70%,說(shuō)明這兩市小麥白粉病菌群體毒性較強(qiáng),大多數(shù)抗性基因已失去抗性,需要另外尋找抗性基因利用。
本研究對(duì)所有供試菌株進(jìn)行聚類分析表明,德州市的所有菌株和煙臺(tái)市的大部分菌株聚在一起,并交錯(cuò)排列,說(shuō)明兩地白粉病菌株相似度比較高,但兩市地理距離比其他市更遠(yuǎn),其中的原因還需要加深研究;濟(jì)寧、聊城及臨沂的菌株多聚在一起,說(shuō)明這3個(gè)地方的小麥白粉病菌株群體毒性較為接近。濟(jì)寧、聊城及臨沂市位于山東省西南部,氣候較為相似,為避免今后小麥白粉病菌群體間的基因交流,應(yīng)避免大面積種植單一、相同的小麥品種。濟(jì)南市的白粉病菌株在兩組中均有排布,還需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)。
小麥白粉病菌株群體的毒性結(jié)構(gòu)隨時(shí)間、地點(diǎn)不同呈動(dòng)態(tài)變化,利用鑒別寄主對(duì)其進(jìn)行毒性監(jiān)測(cè)是最直觀、最基礎(chǔ)的工作,需要持續(xù)進(jìn)行以掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。下一步應(yīng)利用SNP標(biāo)記、SRAP標(biāo)記等技術(shù)開(kāi)展小麥白粉病菌株遺傳多樣性研究[19]??剐曰騊m21對(duì)小麥白粉病具有廣譜抗性,建議將其與其他有效抗性基因結(jié)合利用,以豐富抗病基因的多樣性,或通過(guò)分子生物學(xué)手段揭示其抗性機(jī)制,進(jìn)行Pm21基因特異性標(biāo)記開(kāi)發(fā)和利用,為小麥抗病育種及選擇栽培品種提供理論依據(jù)[20]。