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        小麥黃花葉病抗性鑒定和全基因組關(guān)聯(lián)分析

        2021-06-09 03:45:18郭營(yíng)孫俊生屈春艷郭寶晉趙巖李斯深
        山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:山農(nóng)花葉病煙農(nóng)

        郭營(yíng),孫俊生,屈春艷,2,郭寶晉,趙巖,李斯深

        (1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)/作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018;2.棗莊學(xué)院,山東 棗莊 277160)

        小麥黃花葉病是由小麥黃花葉病病毒(wheat yellow mosaic virus,WYMV)引起的一種土傳病害,以土壤中的禾谷多黏菌(Polymyxa graminis)為傳毒介體。近年來(lái),該病害在我國(guó)冬麥區(qū)發(fā)生日趨嚴(yán)重,已逐漸成為生產(chǎn)上的一種重要病害,主要發(fā)生在黃淮冬麥區(qū)、長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)的部分地區(qū)和西南冬麥區(qū)的四川盆地等[1-3]。由于該病毒存在于禾谷多黏菌休眠孢子體內(nèi),而禾谷多黏菌休眠孢子堆壁厚,具有很強(qiáng)的抗逆性,因此很難用化學(xué)方法防治。鑒定篩選抗源、選育小麥黃花葉病抗性品種是控制該病害的根本途徑。國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些小麥抗黃花葉病種質(zhì)的篩選工作,如孫炳劍等[4]對(duì)河南62個(gè)主推小麥品種進(jìn)行了小麥黃花葉病的抗性評(píng)價(jià),篩選出揚(yáng)輻9311、寧麥9號(hào)等10個(gè)抗病品種;魏瑋等[5]對(duì)國(guó)內(nèi)外527個(gè)小麥品種(系)進(jìn)行小麥黃花葉病抗性鑒定,篩選出包括豐抗1號(hào)、石家莊72、鄭麥9023等10個(gè)抗病品種;劉麗娟等[6]對(duì)黃淮地區(qū)的145個(gè)小麥品種進(jìn)行小麥黃花葉病抗性評(píng)價(jià),篩選出濮優(yōu)938、新麥208等70個(gè)免疫品種,豫麥47、邯6172等50個(gè)抗病品種。

        小麥黃花葉病抗性是受多基因調(diào)控的數(shù)量性狀,遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜,受基因型和環(huán)境效應(yīng)影響顯著。連鎖分析和全基因組關(guān)聯(lián)分析已成為數(shù)量性狀基因定位和挖掘的重要途徑。前人利用F2、重組自交系(recombinant inbred lines,RIL)等遺傳分析群體,在2A、2D、3B、4D、5A和7B等染色體上檢測(cè)到多個(gè)小麥黃花葉病抗性的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)[7-12]。相較于連鎖分析,全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study,GWAS)以自然群體為材料,來(lái)源廣泛(如野生種、地方品種、現(xiàn)代品種和高代品系),基因多態(tài)性較高,無(wú)需構(gòu)建雙親群體,具有發(fā)掘效率高、分辨率高且成本較低的優(yōu)點(diǎn),目前利用自然群體進(jìn)行小麥黃花葉病抗性的研究較少。

        單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)是由單個(gè)核苷酸變異引起的DNA序列多態(tài)性,具有在基因組中數(shù)量多、分布廣、遺傳穩(wěn)定性高、可自動(dòng)化分析等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外科學(xué)家已開(kāi)發(fā)出多款小麥SNP芯片,如9K、90K、55K、660K和820K芯片[13-18],為GWAS分析提供了高基因組覆蓋度的基因型分型數(shù)據(jù),并在小麥產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等相關(guān)性狀基因的挖掘中得到了廣泛應(yīng)用[19-23]。

        本研究對(duì)我國(guó)黃淮麥區(qū)134份小麥品種(系)進(jìn)行小麥黃花葉病抗性鑒定,以期篩選出抗病種質(zhì),為育種家提供優(yōu)異抗源。結(jié)合90K SNP芯片基因型分型數(shù)據(jù)和病情指數(shù),通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析,以期獲得顯著關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記位點(diǎn),為小麥黃花葉病抗性遺傳改良提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 供試材料

        試驗(yàn)材料為我國(guó)黃淮麥區(qū)134個(gè)小麥品種(系)組成的自然品種群體(表1)。供試材料分別于2014—2015(E1)、2015—2016(E2)、2016—2017(E3)年度種植于山東省泰安市岱岳區(qū)小麥黃花葉病連續(xù)多年均勻發(fā)病的自然病圃。田間種植采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每年10月中上旬播種,每材料種植3行,行長(zhǎng)1.5 m,行距25 cm,每行點(diǎn)播40粒種子,重復(fù)2次,常規(guī)田間管理。

        1.2 小麥黃花葉病抗性鑒定

        分別于2015年(3月14日)、2016年(3月4日、3月21日)、2017年(3月11日、3月21日)進(jìn)行田間抗病性鑒定,每個(gè)材料調(diào)查全部植株。單株抗性鑒定分級(jí)參照劉偉華等[24]的指標(biāo):0級(jí),無(wú)癥狀;1級(jí),輕度花葉,葉片不產(chǎn)生梭狀條紋癥狀,植株不矮化;2級(jí),花葉明顯,梭條或黃花葉癥狀占葉面積的1/2左右,植株輕度矮化;3級(jí),嚴(yán)重花葉,梭條或黃花葉癥狀占葉面積的3/4左右,植株明顯矮化。根據(jù)單株病級(jí)鑒定結(jié)果,計(jì)算病情指數(shù)(disease index,DI),計(jì)算公式為:病情指數(shù)=Σ(各級(jí)病株數(shù)×各級(jí)代表值)/(調(diào)查總株數(shù)×最高級(jí)代表值)×100。每個(gè)供試材料在同一時(shí)間鑒定的2個(gè)重復(fù)DI抗性結(jié)果取平均值,同一年的兩次抗性結(jié)果以DI較大值作為該品種(系)該年度抗性結(jié)果。品種抗病性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):抗病(R),DI<5%;中抗(MR),5%≤DI<15%;中感(MS),15%≤DI<25%;感?。⊿),DI≥25%[24]。

        1.3 基因型分型

        利用小麥90K SNP芯片[13]對(duì)品種群體進(jìn)行基因型分型。在得到的多態(tài)性SNP中,去除最小等位基因頻率(MAF)小于5%、缺失率大于15%的SNP位點(diǎn),7 357個(gè)SNP有遺傳位置信息,分布在21條染色體上,用于下一步的關(guān)聯(lián)分析[25]。

        1.4 全基因組關(guān)聯(lián)分析

        利用TASSEL 5.0軟件,采用混合線性模型(MLM),以主成分分析(PCA)和親緣關(guān)系(Kinship)作為協(xié)變量,結(jié)合7 357個(gè)SNP標(biāo)記基因型數(shù)據(jù),對(duì)134份小麥品種(系)的DI值進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,設(shè)置閾值P<0.001,曼哈頓圖使用CMplot程序包完成(https://github.com/YinLiLin/RCMplot)。

        1.5 數(shù)據(jù)分析

        3年DI結(jié)果的最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)(best linear unbiased prediction,BLUP)采用R版本3.6.1(https://www.r-project.org/)軟件進(jìn)行限制最大似然(REML)分析。利用SPSS 17.0軟件對(duì)小麥黃花葉病發(fā)病指數(shù)進(jìn)行表型數(shù)據(jù)分析。性狀廣義遺傳力計(jì)算公式為為遺傳方差和環(huán)境方差。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 小麥黃花葉病的抗性鑒定

        供試的134個(gè)小麥品種(系)對(duì)小麥黃花葉病的抗性存在明顯差異,并且同一品種(系)在不同年份發(fā)病情況也有一定差異(表1)。其中,抗病品種(系)27個(gè),占供試材料的20.15%,包括煙農(nóng)0428、煙99603、山農(nóng)18、山農(nóng)17、煙農(nóng)836、濟(jì)麥20、煙農(nóng)999、濟(jì)麥22、良星99、煙農(nóng)21、藁優(yōu)9618、山農(nóng)23、泰農(nóng)18、濟(jì)麥21、954(7)-8、濟(jì)南17、西農(nóng)889、魯麥23、濰麥8號(hào)、LS3283、山農(nóng)25、汶農(nóng)5號(hào)、山農(nóng)21、LS4942、郯麥98、臨旱822、昌樂(lè)5號(hào);中抗品種(系)21個(gè),占供試材料的15.67%,分別為陜627、山農(nóng)45、萊州95021、汶農(nóng)6號(hào)、山農(nóng)29、M8008、新麥26、泰山21、魯麥21、泰山24、煙農(nóng)19、山融3號(hào)、石新828、鑫麥289、山農(nóng)664、煙農(nóng)15、魯麥14、石麥15、石家莊8號(hào)、煙5072、山農(nóng)8355;中感、感病品種(系)分別為21、65個(gè),占供試材料的15.67%、48.51%。

        通過(guò)對(duì)134份小麥品種(系)在不同環(huán)境下的病情指數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果(表2)表明:變異系數(shù)范圍為87.18%~140.82%,廣義遺傳力為70.65%。方差分析結(jié)果表明,品種(系)間、不同年份間的差異是變異的主要來(lái)源,DI的基因型和環(huán)境效應(yīng)值均在P≤0.001水平差異顯著。

        表1 134份小麥品種(系)的黃花葉病抗性表現(xiàn)

        表1(續(xù))

        表2 134個(gè)品種(系)在不同環(huán)境下的病情指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

        2.2 全基因組關(guān)聯(lián)分析

        結(jié)果顯示,56個(gè)SNP與小麥黃花葉病病情指數(shù)顯著相關(guān),分別位于2A(1個(gè)SNP)、2B(4個(gè)SNP)、2D(43個(gè)SNP)、3A(4個(gè)SNP)、4B(1個(gè)SNP)、7B(3個(gè)SNP)染色體上,可解釋8.8%~29.6%的表型變異(圖1,表3)。其中,在2D染色體上檢測(cè)到在3個(gè)環(huán)境和BLUP中均顯著關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記有40個(gè),占所有關(guān)聯(lián)標(biāo)記的71.4%。根據(jù)SNP遺傳位置[25],2D染色體的40個(gè)SNP位于76.57~86.28 cM區(qū)間(表3)。

        圖1 全基因組關(guān)聯(lián)分析的曼哈頓圖

        表3 與小麥黃花葉病病情指數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記

        表3(續(xù))

        3 討論與結(jié)論

        小麥黃花葉病廣泛發(fā)生于黃淮麥區(qū)、長(zhǎng)江中下游麥區(qū)等冬小麥主要種植區(qū)域,由于感病品種的種植及農(nóng)業(yè)機(jī)械的跨區(qū)作業(yè),該病害的發(fā)病面積有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。選育并推廣種植抗病品種是防治小麥黃花葉病大面積發(fā)生的最有效途徑。本研究連續(xù)3年對(duì)134個(gè)小麥品種(系)進(jìn)行小麥黃花葉病的抗性鑒定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同品種(系)對(duì)黃花葉病的抗性差異較大。本研究篩選出抗病品種(系)27個(gè),包括目前生產(chǎn)上大面積種植和近年來(lái)審定的品種如山農(nóng)18、山農(nóng)17、煙農(nóng)836、煙農(nóng)999、濟(jì)麥22、良星99、煙農(nóng)21、山農(nóng)23、泰農(nóng)18、濟(jì)南17、山農(nóng)25、郯麥98等,建議在小麥黃花葉病主要發(fā)病麥區(qū)(黃淮麥區(qū)北片)推廣種植,也可作為抗病育種的親本材料加以利用。另外,篩選出21個(gè)中抗品種,可以通過(guò)與高抗品種進(jìn)行輪作或者間作,達(dá)到延長(zhǎng)抗病品種使用年限的目的。

        本研究利用7 357個(gè)SNP標(biāo)記與3年小麥黃花葉病病情指數(shù)及BLUP值進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,共檢測(cè)到56個(gè)與小麥黃花葉病病情指數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNPs,分別位于2A、2B、2D、3A、4B、7B染色體上;在2D染色體上檢測(cè)到在3個(gè)環(huán)境和BLUP中均顯著關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記40個(gè),位于76.57~86.28 cM區(qū)間,表明上述標(biāo)記基因的表達(dá)受環(huán)境影響較小,是穩(wěn)定關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點(diǎn)。前人的研究也在2D染色體檢測(cè)到抗病位點(diǎn):如Takeuchi等[26]以高抗品種‘Madsen’和高感品種‘Hokushin’為親本構(gòu)建F2群體,將‘Madsen’的抗病基因YmMD定位于2DL上,位于SSR標(biāo)記wmc041和gwm349之間;Nishio等[8]用高抗品種‘Ibis’和高感品種‘Munstertaler’為親本構(gòu)建DH群體,通過(guò)遺傳分析發(fā)現(xiàn)高抗品種‘Ibis’的抗病基因Ymlb位于2DL上,與SSR標(biāo)記cfd16、wmc41、cfd168和wmc181緊密連鎖;Kobayashi等[12]用高抗品種‘Yumechikara’和高感品種‘Kitahonami’為親本構(gòu)建DH群體,通過(guò)遺傳分析將抗病基因Q.Ymym定位于2D上,與SSR標(biāo)記cfd233和gwm349緊密連鎖。由此可見(jiàn),2D染色體含有較多抗黃花葉病基因,值得進(jìn)一步深入研究利用。

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