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        305份國內(nèi)外小麥種質(zhì)條銹病與白粉病抗性鑒定與評價

        2021-09-23 08:42:46宋鵬博王笑笑楊孟于呂棟云孫道杰
        麥類作物學(xué)報 2021年6期
        關(guān)鍵詞:條銹病白粉病抗病

        王 鑫,宋鵬博,王笑笑,楊孟于,周 鋒,呂棟云,孫道杰

        (西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,陜西楊凌 712100)

        小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物之一,其安全可持續(xù)生產(chǎn)對保障國內(nèi)口糧安全具有重要意義[1]。條銹病是一種由條形柄銹菌小麥?;蛯?dǎo)致的氣傳性葉部病害[2],白粉病是由禾布氏白粉菌小麥?;颓秩疽鸬臍鈧鞑『?,二者對小麥安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。由于病原菌生理小種變異頻繁,致使許多已有抗性基因喪失抗性,其中包括Yr1-Yr4、Yr6-Yr9、Yr17、Yr20-Yr22、Yr24-Yr29、Yr43、Pm2、Pm4a、Pm4b。因此,鑒定當(dāng)前種質(zhì)中的已知有效抗性基因,并結(jié)合小麥田間抗病表現(xiàn)明確其抗性水平,對于小麥抗病育種極為重要[3]。

        傳統(tǒng)的抗性鑒定難以快速準(zhǔn)確地選擇具有特定抗性基因的小麥品種,隨著分子育種技術(shù)的不斷發(fā)展,利用與有效抗性基因緊密連鎖的分子標(biāo)記,可以對當(dāng)前的種質(zhì)資源進(jìn)行抗病基因檢測。劉理森等[4],陳向東等[5],李 瑋等[6]利用與抗白粉病基因或抗條銹病基因緊密連鎖的分子標(biāo)記對多份小麥種質(zhì)材料進(jìn)行了鑒定,篩選出了具有抗病的小麥種質(zhì)。病原菌生理小種與寄主抗性存在協(xié)同進(jìn)化關(guān)系[7],篩選攜帶多效抗性基因及同時存在多數(shù)量單抗性基因的小麥種質(zhì)資源,對提高小麥綜合持久抗性具有重要意義。

        本研究利用與兩個多效抗病基因Yr18和Yr46、三個抗條銹基因Yr10、Yr15和Yr26、三個抗白粉病基因Pm8、Pm21和Pm34緊密連鎖的分子標(biāo)記,對本課題組收集的305份國內(nèi)外小麥種質(zhì)資源進(jìn)行抗病基因檢測,以更好地了解抗條銹病及白粉病基因在小麥種質(zhì)材料中的分布情況,為小麥抗病育種提供參考依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材 料

        供試的305份小麥種質(zhì)資源由西北農(nóng)林科技大學(xué)小麥育種實(shí)驗(yàn)室收集并保存,其中70份為國外品種(系),其余為國內(nèi)地方種和審定品種。

        1.2 成株期抗病性鑒定

        將305份小麥材料種植在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作站、南陽試驗(yàn)站和駐馬店駐研種業(yè)試驗(yàn)田,每個地點(diǎn)兩個重復(fù),每個材料種植2行,行長 2 m,行距25 cm,株距6.6 cm,用于病害等級調(diào)查(2020年乃近10年以來?xiàng)l銹病發(fā)病最重的年份)。于2020年4月下旬對田間小麥進(jìn)行成株期小麥條銹病和白粉病發(fā)病情況調(diào)查。小麥病級分為0、1、2、3、4共五級,抗性水平依次為免疫(0級)、高抗(1級)、中抗(2級)、中感(3級)、高感(4級)[8]。每種病害在3個試驗(yàn)點(diǎn)分別調(diào)查2次,最終以所調(diào)查結(jié)果中最高等級為最終結(jié)果。

        1.3 DNA的提取

        采用CTAB法[9]提取小麥全基因組DNA,使用Thermo NanoDropTMOne/OneC超微量紫外分光光度計測DNA的濃度。

        1.4 抗性基因檢測

        1.4.1 多效抗病基因的檢測

        利用兩個抗病基因Yr18和Yr46對應(yīng)的分子標(biāo)記Cslv34和CFD71進(jìn)行多效抗性基因檢測,引物見表1。PCR反應(yīng)體系(15 μL)為:2 μL模板DNA,7 μL Mix(DiNing),2 μmol ·L-1上、下游引物各1 μL(Sangon Biotech),4 μL去離子水。標(biāo)記Cslv34的PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性4 min; 94 ℃變性40 s,57 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,36個循環(huán); 72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。標(biāo)記CFD71的PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性2 min; 95 ℃變性1 min,60 ℃退火1 min, 73 ℃延伸1 min,30個循環(huán); 73 ℃延伸5 min, 4 ℃保存。標(biāo)記Cslv34和CFD71的擴(kuò)增產(chǎn)物用8%的聚丙烯酰胺凝膠在180 V下電泳檢測,利用凝膠成像儀觀察電泳結(jié)果并拍照保存。

        1.4.2 抗條銹病基因的檢測

        利用標(biāo)記S26M47(Yr10)、Xbarc8(Yr15)和Xwe173(Yr26)對305份供試材料進(jìn)行抗條銹基因鑒定,引物見表1。三個標(biāo)記的PCR反應(yīng)體系同1.4.1。標(biāo)記S26M47的PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?94 ℃預(yù)變性5 min; 94 ℃變性30 s,55 ℃退火 50 s,72 ℃延伸30 s,35個循環(huán); 72 ℃延伸5 min, 4 ℃保存。標(biāo)記Xbarc8和Xwe173的PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性4 min; 94 ℃變性40 s, 59 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,36個循環(huán); 72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。擴(kuò)增產(chǎn)物電泳及其結(jié)果觀察同1.4.1。

        1.4.3 抗白粉病基因的檢測

        選用抗白粉病基因Pm8、Pm21和Pm34對應(yīng)的分子標(biāo)記AF1/AF4、SCAR1400/1000、Barc144對305份材料進(jìn)行檢測,引物見表1。三個標(biāo)記的PCR反應(yīng)體系同1.4.1。標(biāo)記AF1/AF4和SCAR1400/1000的PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?94 ℃預(yù)變性5 min; 94 ℃變性30 s,62 ℃/55 ℃退火1 min,72 ℃延伸1 min,35個循環(huán); 72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。標(biāo)記Barc144的PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性4 min; 95 ℃變性1 min, 60 ℃退火1 min,72 ℃延伸1 min,35個循環(huán); 72 ℃延伸8 min,4 ℃保存。標(biāo)記Barc144擴(kuò)增產(chǎn)物的電泳及其結(jié)果觀察同1.4.1。標(biāo)記AF1/AF4和SCAR1400/1000的擴(kuò)增產(chǎn)物用1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,經(jīng)DuRed核酸染料染色后,在紫外凝膠成像儀內(nèi)觀察并拍照。

        表1 用于檢測小麥抗條銹病及白粉病基因的分子標(biāo)記及其引物Table 1 Molecular markers and primersof resistance genes for wheat stripe rust and powdery mildew

        2 結(jié)果與分析

        2.1 多效抗病基因的檢測結(jié)果

        305份種質(zhì)中,23份材料攜帶Yr18基因(圖1),占比7.54%,包括碧螞1號、偃展4110、Norin 61、內(nèi)鄉(xiāng)5號、Aca 801、ProINTA Colibr 1、Lampo、Kanto 107、Nidera Baguette 10、襄麥55、中國春、揚(yáng)麥10號、CA1133、京冬22、秦農(nóng)151、Fr03717、Jagger/W94-244-132、CA0998、晉麥45、KNIISH 46、豐抗2號、NSA09-3645、CA0548。4份小麥種質(zhì)攜帶Yr46基因(圖2),占比1.31%,包括小偃6號、川麥42、川麥43、鄂恩5號。

        2.2 抗條銹病基因的檢測結(jié)果

        對305份材料進(jìn)行抗條銹病基因檢測,結(jié)果顯示,共檢測到5份小麥種質(zhì)含有Yr10基因(圖3),占比1.64%,分別為Mantol、NSA09-3645、STARSHINA、CA0548、內(nèi)鄉(xiāng)5號。在10份材料中檢測到Y(jié)r15基因(圖4),占比3.28%,分別是魯麥5號、鄭州3號、洛旱2號、PH82-2、碧螞4號、寧麥9號、寧麥8號、Mason/Jagger、Aztec、TX03A0148。Yr26基因的STS標(biāo)記Xwe173未在305份小麥材料中擴(kuò)增出目的片段。

        2.3 抗白粉病基因的檢測結(jié)果

        結(jié)果顯示,在100份小麥材料中檢測到了Pm8基因(圖5),占32.79%,分別是陜農(nóng)7859、陜麥509、石家莊15、衡7228、豫麥13、魯麥9號、煙農(nóng)18、魯麥14、淮麥20、陜354、中麥895、阜936、西農(nóng)291、85中33、新麥9408、泰山1號、豫麥21、西農(nóng)1376、皖麥33、周麥25、石4185、蘭考2號、中麥871、蘭考906、武農(nóng)148、魯麥8號、陜715、內(nèi)鄉(xiāng)188、臨抗12、周麥12、矮抗58、魯原502、高優(yōu)503、周麥30、豫麥7號、濟(jì)麥21、Dorico、Lampo、中育5號、小偃81、周麥32、中育9號、周麥18、石家莊8號、豫麥50、周8425B、周麥28、豫麥2號、Kitanokaori、周麥26、中麥875、周麥16、衡觀33、蘭考24、魯麥11、洛麥21、淮麥21、魯麥15、周麥11、金禾9123、魯麥7號、周麥22、豫麥35、中892、淮麥18、邯6172、晉麥61、周麥13、連麥2號、綿麥37、川麥46、川麥45、綿農(nóng)4號、川麥52、華2459、蓉麥4號、鄂恩5號、川麥107、#575(LYFENKO)/JAGGER/4/KARL*2//PI355520/、京冬17、科衡6654、農(nóng)大211、京冬22、SELYANKA、LASEN、農(nóng)大212、晉麥67、Fr03725、豆麥、Jagger/W94-244-132、 F98047 G14-2INC、輪選987、豐抗2號、CA1090、京冬8號、YANA、北京841、Lovrin13、PALPICH、寧冬10。只有在金禾9123中檢測到Pm21基因 (圖6)。

        有95份小麥種質(zhì)含有Pm34基因(圖7),占31.15%,分別為魯麥5號、偃展4110、豐產(chǎn)3號、陜農(nóng)7859、陜麥509、西農(nóng)979-005、鄭州3號、安1331、魯麥9號、魯麥14、西農(nóng)2000-7、宿0663、85中33、Barra、淄選2號、阿勃、小偃54、新麥9408、宿農(nóng)6號、石4185、濟(jì)麥22、11CA40、Norin 67、皖麥52、汶農(nóng)14、皖23094、豫麥49、陜優(yōu)225、洛旱2號、陜715、豫麥57、良星99、高優(yōu)503、陜229、皖麥50、Aca 601、泰山5號、Dorico、Lampo、周麥32、周麥23、陜農(nóng)981、山農(nóng)20、蘭考24、皖麥19、良星66、濟(jì)麥19、魯麥7號、臨旱2號、新麥19、中892、小偃22、淄麥12、西農(nóng)88、晉麥61、川麥44、連麥2號、綿麥37、襄麥55、鄂麥12、繁6、襄麥81、鎮(zhèn)麥6號、綿陽19、科成麥1號、川麥45、川麥42、綿農(nóng)4號、川麥52、綿陽26、川麥43、徐州25、內(nèi)麥9號、揚(yáng)麥15、綿麥185、川麥107、中麥175、CA1135、Fr03724、秦農(nóng)151、Fr03717、Thesee、LASEN、CA1119、Magnus、Fr03711、C39、F98047G14-2INC、晉麥45、RE714、NUWEST/4/D887-74/PEW/3/LNCR//CARSTEN/GIGANT/5/MRS/CI14482//YMH/HYS/3/RON、DEZVOUS、Fr3713、Festin、CA9719、Azulon。

        2.4 小麥種質(zhì)中抗病基因的分布及其抗病性評價

        表型鑒定發(fā)現(xiàn),攜帶Yr18的23份材料中,對條銹病產(chǎn)生免疫的有3份(豐抗2號、Fr03717等),高抗的有3份,中抗的有1份;對白粉病產(chǎn)生免疫的有6份(Nidera Baguette 10、揚(yáng)麥10號等),高抗的有7份,中抗的有3份。其中小麥地方品種中國春攜帶Yr18,該種質(zhì)在小麥成株期對條銹病和白粉病都具有高抗水平。攜帶Yr46的4份材料中,川麥43、川麥42和小偃6號在成株期分別對條銹病產(chǎn)生免疫、高抗和中抗反應(yīng);鄂恩5號和小偃6號對白粉病具有中抗抗性。其中小偃6號對條銹病和白粉病同時具有成株期中抗抗性。

        抗條銹病基因中,攜帶Yr10的5份材料中,有1份(Mantol)表現(xiàn)為高抗,1份(CA0548)表現(xiàn)為中抗。攜帶Yr15的10份材料中,魯麥5號和TX03A0148表現(xiàn)免疫水平,Aztec表現(xiàn)出高抗。

        對抗白粉病基因,攜帶Pm8的100份材料中,表現(xiàn)免疫的有24份(矮抗58、中麥871等),高抗的有23份,中抗的有12份。攜帶Pm21的只有金禾9123表現(xiàn)為高抗。攜帶Pm34的62份材料中,表現(xiàn)免疫的有的21份(魯麥5號、川麥107等),高抗的有28份,中抗的有13份。其他具有成株期抗病性的小麥種質(zhì)材料,未檢測到上述基因,可能由其他基因控制其抗病性。

        2.5 抗病基因組合的分布及其抗病性評價

        305份材料中,兩個多效抗病基因Yr18和Yr46分別檢測到23和4份材料。單抗性基因與這2個多效抗病基因有多種組合,共檢測到15份(表2)。其中Yr18+Pm8+Pm34組合1份(Lampo),Yr46+Pm8組合1份(鄂恩5號),Yr46+Pm34組合2份(川麥42、川麥43),Yr18+Yr10組合3份(內(nèi)鄉(xiāng)5號、NSA09-3645、CA0548),Yr18+Pm34組合5份(偃展4110、襄麥55、秦農(nóng)151、Fr03717、晉麥45),Yr18+Pm8組合3份(京冬22、Jagger/W94-244-132、豐抗2號)。魯麥5號(Yr15+Pm34組合)和Fr03717(Yr18+Pm34組合)兩個小麥品種對條銹病和白粉病同時具有免疫或高抗水平的抗性。來源于北京的小麥材料CA0548同時含有Yr10+Yr18兩個抗條銹基因,對條銹病產(chǎn)生中抗水平。含有Pm8+Pm34組合的種質(zhì)有4份(陜麥509、Dorico、晉麥61、川麥107),其對白粉病的抗性達(dá)到免疫水平。含有Pm21+Pm8組合的小麥材料只有河北的金禾9123,對白粉病抗性達(dá)到免疫。

        表2 抗病基因聚合種質(zhì)及其抗病性Table 2 Polymeric germplasmswithdisease resistance genes and their disease resistance

        3 討 論

        在小麥抗病育種中,已經(jīng)正式命名的抗條銹病基因包括Yr1~Yr83[19-21],在小麥及其近緣植物的65個基因座上定位了90多個抗白粉病基因及其等位變異[22-25]。然而由于白粉菌和條銹菌變異頻率高、毒性增長快的特點(diǎn),致使許多抗性基因?qū)Ξ?dāng)前流行的毒性生理小種失去抗性[26-27]。因此快速明確現(xiàn)有種質(zhì)資源的抗性水平及攜帶的抗性基因種類迫在眉睫。

        本研究結(jié)果顯示,部分小麥材料攜帶多個被檢測基因,如Yr15+Pm34、Pm8+Pm21、Yr18+Pm8+Pm34,將其作為抗病材料進(jìn)行小麥抗性育種,可使抗性基因進(jìn)行正向累積或者使材料具備抵抗多種病害的能力[28],從而提高小麥綜合抗病性。有110份種質(zhì)中未檢測到被測的8個基因,其中,有19份小麥種質(zhì)對條銹病表現(xiàn)出高抗或免疫,對白粉病表現(xiàn)出高抗或免疫的種質(zhì)高達(dá)56份,推測它們可能攜帶其他抗性基因,其中,濟(jì)寧16、Sagittario、Klein Flecha、魯麥6號、WGRC10/3/KS93U69 sib/TA2455//KS93U69/4/JAGGER、秦農(nóng)731、Fr03733、Darius、Soissons、洋小麥、MV LAURA等11份材料對條銹病和白粉病均表現(xiàn)出免疫,這些種質(zhì)多為國外引進(jìn),且暫未其所攜帶抗性基因的報道,所以在以后的抗病育種工作中可以對其進(jìn)一步分析并合理利用。魯麥5號、陜麥509、Fr03717和川麥45等種質(zhì)對于小麥條銹病和白粉病的綜合抗性呈現(xiàn)高抗水平,并且在本研究中已經(jīng)明確它們所攜帶的抗性基因,充分利用這些具有優(yōu)良綜合抗性的種質(zhì)資源,可減少小麥生產(chǎn)中因病害造成的損失。

        Yr18和Yr46是多效抗性基因,二者對于小麥銹病和白粉病均具有部分抗性[29- 30]。本研究中,檢測到攜帶Yr18基因的材料僅有23份,其中13份來源于國外,總體檢出率很低。這與前人研究結(jié)果基本相似,如董 娜等[29]在348份國內(nèi)小麥種質(zhì)中進(jìn)行Yr18基因檢測,檢出率僅為2.01%,李敏州等[31]在115份陜西小麥品種(系)只檢測到中研196、西農(nóng)023、西農(nóng)928等3個材料含有Yr18基因,薛文波等[32]在74個國內(nèi)主栽小麥品種里未檢測到Y(jié)r18基因。本研究中,只有4份種質(zhì)攜帶Yr46基因,3份表現(xiàn)出中抗以上的抗條銹性,僅鄂恩5號中感條銹病,具體原因有待進(jìn)一步分析。未檢測到同時攜帶這兩個多效抗性基因的材料。在305份材料中,抗白粉病基因Pm8和Pm34檢出率均高于Pm21,僅金禾9123攜帶Pm21基因。這與劉理森等[4]在241份小麥品種(系)中只檢測到金禾8431和俊達(dá)129攜帶Pm21基因的情況基本一致,說明現(xiàn)有小麥種質(zhì)存在該基因的種類和數(shù)量很少。作為重要的抗白粉病基因資源,在以后應(yīng)該合理利用且使之廣泛分布。一個優(yōu)質(zhì)小麥品種需對多種病害具備抗性,所以我們應(yīng)選育出綜合抗性優(yōu)良的小麥種質(zhì)。董 娜等[8]在39份國外引進(jìn)的小麥種質(zhì)中只篩選出2份(澳阿優(yōu)1號和bermude)兼具條銹病和白粉病抗性的種質(zhì)資源。肖萬婷等[33]對66份四川省小麥區(qū)試品種(品系)的條銹病、白粉病和赤霉病等抗性鑒定和分析,得到17份種質(zhì)對白粉病和條銹病兼具抗性,但沒有一個小麥品種(品系)兼具三種病害的抗性。在本試驗(yàn)中,共檢測到15份兼具條銹病和白粉病抗性的國內(nèi)外小麥種質(zhì),說明當(dāng)前的小麥種質(zhì)綜合抗性較差。

        戴妙飛等[34]利用Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26基因?qū)CARDA的203份小麥種質(zhì)進(jìn)行了抗條銹病基因分析,認(rèn)為“一因多效”基因Yr18與Yr9和Yr17基因組合可以產(chǎn)生更高水平的抗性。本研究結(jié)果表明,多類型抗性基因組合可提高小麥的綜合抗病性。綜上所述,單個多效抗性基因與抗條銹基因或抗白粉病基因組合,可顯著提高小麥的綜合抗病能力。“一因多效”抗病基因是一種重要的基因資源,可在明確現(xiàn)有種質(zhì)資源所含抗病基因的基礎(chǔ)上,通過聚合育種的方式將多個多效抗病基因集中在一個品種上,從而增強(qiáng)小麥的抗病能力,減緩目前流行毒性生理小種的變異速度,以此保障我國小麥的安全生產(chǎn)。

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