肖進,程怡璠,宋融融,孫麗,王宗寬,袁春霞,王海燕,王秀娥
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,現(xiàn)代作物生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,作物遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新國家重點實驗室,南京210095
小麥赤霉?。‵usarium head blight)是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的世界性病害,在小麥全生育期均可發(fā)病,尤以小麥揚花后造成的穗腐危害最為嚴(yán)重。小麥赤霉病發(fā)病后不僅導(dǎo)致小麥產(chǎn)量和品質(zhì)直接下降,受害籽粒皺縮干癟,成熟后籽粒呈灰白色或紫紅色,內(nèi)含大量的霉菌毒素,導(dǎo)致受害籽粒失去食用價值。小麥赤霉病防控難度較大,其中種植抗病品種是控制赤霉病流行和危害的一項最經(jīng)濟、有效的措施?;茨系貐^(qū)是我國小麥赤霉病重發(fā)區(qū),在新品種審定時對赤霉病高感的參試品種實行一票否決制,充分體現(xiàn)了小麥赤霉病抗病品種選育的重要性和必要性。然而,目前僅有少數(shù)的栽培小麥品種對赤霉病呈現(xiàn)穩(wěn)定抗性,以蘇麥3號及其衍生的系列品種為主。小麥野生近緣種含有豐富的抗性基因資源,目前鑒定的小麥近緣屬如賴草屬(Leymus)、鵝觀草屬(Roegneria)或披堿草屬(Elymus)、偃麥草屬(Thinopyrum)、山羊草屬(Aegilops)、黑麥屬(Secale)、新麥草屬(Psathyrostachys)、大麥屬(Hordeum)、冰草屬(Agropyron)、仲彬草屬(Kengyilia)和猬草屬(Hystrix)等存在抗赤霉病侵染或擴展的種質(zhì)資源。如來自大賴草的Fhb3[1]、鵝觀草的Fhb6[2]和中間偃麥草的Fhb7[3]等基因(表1),特別是Fhb7,已成功轉(zhuǎn)移到小麥品種上,并經(jīng)過種植試驗證實其在抗病育種中的穩(wěn)定抗性和應(yīng)用價值。
表1 近緣種抗赤霉病基因?qū)胄←湹难芯繝顩rTable 1 Summary of the incorporation of Fusarium head blight resistance genes into wheat from its wild relatives
轉(zhuǎn)移抗性基因主要的方法是將普通小麥與小麥近緣種遠(yuǎn)緣雜交,通過染色體操縱技術(shù),創(chuàng)制雙二倍體、異附加系、異代換系、易位系等異染色體系,將小麥近緣種攜帶的抗赤霉病有益基因?qū)肫胀ㄐ←?,?chuàng)制抗病新種質(zhì),用于育種實踐。本文綜述了小麥抗赤霉病外源種質(zhì)的創(chuàng)制和利用現(xiàn)狀,以期為小麥抗赤霉病育種提供參考。
大賴草(Leymus racemosus,2n=4x=28,NsNsXmXm)又稱巨大冰麥草(Elymus giganteus)、大穗濱麥草(Leymus mollis),是禾本科賴草屬(Leymus)草本植物,在我國主要分布于新疆維吾爾自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)的沙地和沙丘上。1981年,Mujeeb-Kazi等[4]鑒定大賴草高抗赤霉病,通過遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)制的普通小麥-大賴草雙二倍體,表現(xiàn)較高的赤霉病抗性[4-5]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)細(xì)胞遺傳研究所自1985年起,嘗試將大賴草攜有抗赤霉病基因的特定染色體或染色體片段轉(zhuǎn)移到普通小麥中。陳佩度等[6]選育出涉及大賴草Lr.2(7Lr#1)、Lr.14(5Lr#1)和Lr.7(部分同源群歸屬不明)染色體的抗赤霉病小麥-大賴草二體異附加系,在BC2F5代植株的赤霉病抗性表現(xiàn)優(yōu)良。以這3個抗病異附加系為基礎(chǔ)材料,利用花粉輻射、殺配子基因誘導(dǎo)等方法創(chuàng)制了大量的普通小麥和大賴草的易位系。劉文軒等[7]創(chuàng)制了2個涉及5Lr#1染色體的中國春-大賴草易位系,表現(xiàn)抗性;袁建華等[8]選育了3個抗病的小麥-大賴草純合易位系T1DS-Lr7L、T4AL·4AS-Lr7S和T1BL-Lr2S;Chen等[9]獲得了9個抗病易位系。大賴草抗病基因被定位于7Lr#1染色體的短臂(7Lr#1S)和5Lr#1染色體的長臂(5Lr#1L),其中位于7Lr#1S上的抗病主效QTL被命名為Fhb3(表1),研究者們創(chuàng)制了系列含有7Lr#1S的易位系T01、T09、T14和 含 有5Lr#1L的 易位 系T7DS.5LrL、T5AS/5LrL[1,10-11]。隨后,涉及7Lr#1S(Fhb3)的多個抗赤霉 病 易 位 系T7BS·7Lr#1S(NAU639)、T2AS·2AL-7Lr#1S(NAU640)[12]、T3AS·3AL-7Lr#1S[13]、5AS-7LrL·7LrS[14]、T6DL·7LrS[15]、T3AS-Lr7S[16]被相繼創(chuàng)制,為小麥抗赤霉病遺傳改良提供了豐富的種質(zhì)資源。
1848年Koch以高加索鵝觀草為模式種建立了鵝觀草屬,它被認(rèn)為是“小麥族中赤霉病抗性最強、抗源最多的一個屬”。鵝觀草屬在我國有70多個種,主要分布在西北、西南和華北地區(qū)。鵝觀草屬主要包含四倍體和六倍體,四倍體如纖毛鵝觀草(Roegneria ciliaris,2n=4x=28,ScScYcYc),六倍體如鵝觀草(R.kamoji,2n=6x=42,StsStsHtsHtsYtsYts)。已有研究鑒定鵝觀草高抗赤霉病,特別表現(xiàn)為高抗擴展性[17-19],羅粵川等[20]鑒定了4個抗病的鵝觀草居群。為了將鵝觀草的種質(zhì)轉(zhuǎn)移給普通小麥,翁益群等[19]和楊艷萍等[21]分別獲得了鵝觀草與中國春的正反交雜種,F(xiàn)1對赤霉病表現(xiàn)高抗。在普通小麥中國春與遠(yuǎn)緣雜種回交后的衍生后代中,吳麗芳等[22]篩選抗赤霉病性表現(xiàn)較好的異附加系K20022和K04026,涉及兩條不同染色體,王蘇玲等[23]也創(chuàng)制了抗赤霉病的異附加系NAU702,其添加的染色體歸屬于小麥的第1部分同源群,將其命名為1Ets#1。馮祎高[24]以1Ets#1(1Rk#1)小麥-鵝觀草二體異附加系為基礎(chǔ)材料,利用花粉輻射誘導(dǎo)選育出一個抗病易位系T1Rk#1S.?W(小麥背景染色體不明確)。利用該易位系和中國春ph1b突變體雜交,在后代中篩選獲得小麥染色體身份明確的補償性易位系T1AL·1Ets#1S,高抗赤霉病,該基因被正式命名為Fhb6(表1)[2]。除此之外,別同德等[25]也選育了表現(xiàn)部分抗病的小麥-鵝觀草易位系T7A/1Rk#1;馬鴻翔等[26]以鵝觀草為供體和中國春為受體進行雜交回交,獲得抗性較中國春明顯提高的5個中鵝系。
1983年,Muramatsu等以纖毛鵝觀草作母本,普通小麥Inayama Komugi作父本雜交獲得雜種F1,經(jīng)染色體加倍育成了普通小麥-纖毛鵝觀草雙二倍體[27]。1989年,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)細(xì)胞遺傳所引進了該雙二倍體,以普通小麥中國春為親本與雙二倍體雜交和連續(xù)回交后自交。王秀娥等[28]選育了一系列的纖毛鵝觀草異附加系,其中1個涉及B染色體長臂的端二體異附加系94K227,其赤霉病抗性明顯高于受體親本中國春,但略低于抗病品種蘇麥3號。對選育一整套的纖毛鵝觀草二體異附加系,通過多年多點的赤霉病抗性鑒定初步表明,1Yc和3Sc等染色體攜帶有抗赤霉病基因(表1)[29-30]。
偃麥草屬(Thinopyrum)是禾本科、小麥族(Triticeae)中的多年生草本植物,與普通小麥的親緣關(guān)系較近,世界范圍內(nèi)約有50種,主要分布在溫帶和寒帶地區(qū)。該屬中許多種質(zhì)資源表現(xiàn)為抗赤霉菌抗擴展能力[17,19,31],其中二倍體長穗偃麥草(Th.elongatum,2n=2x=14,EeEe)能夠與小麥雜交獲得可育后代,有大量的小麥-長穗偃麥草異染色體系包括異代換系、附加系和易位系被創(chuàng)制,并廣泛用于小麥的赤霉病抗病改良。Dvorak和Knott[32]獲得了普通小麥中國春-長穗偃麥草的雙二倍體以及一整套的二倍體異附加系。對以上材料進行抗赤霉病鑒定發(fā)現(xiàn),長穗偃麥草1Ee染色體上攜帶赤霉病主效抗性基因,其他染色體上可能存在微效抗性基因[33]。Jauhar等[34-35]創(chuàng)制了硬粒小麥與二倍體長穗偃麥草1E的二體異附加系和代換系,具有赤霉病抗性。除此之外,7Ee的添加系也表現(xiàn)穩(wěn)定的赤霉病抗性,后經(jīng)反復(fù)證實該染色體上攜帶有抗赤霉病主效基因,命名為Fhb7(FhbLoP)(表1)[3,36-39]。2020年,山東農(nóng)業(yè)大學(xué)孔令讓教授團隊克隆了Fhb7基因,發(fā)現(xiàn)它編碼1個谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase),該蛋白酶通過去環(huán)氧化機制從而發(fā)揮解毒效應(yīng),并且該基因是由內(nèi)生真菌的基因水平轉(zhuǎn)移獲得的[40]。目前已經(jīng)培育了農(nóng)藝性狀優(yōu)良的小片段易位系用于小麥抗赤霉病育種工作。
在普通小麥與其他偃麥草種質(zhì)的異染色體系中也鑒定了抗赤霉病資源。William和Mujeeb-kazi[41]創(chuàng)制了普通小麥中國春-百薩偃麥草(T.bessarabicum,2n=2x=14,JJ)的雙二倍體以及一整套的二體附加系。對這些材料的抗赤霉病鑒定表明,百薩偃麥草的1J染色體攜帶有抗赤霉病基因[42]。普通小麥和天藍(lán)偃麥草(Elytrigia glacum,2n=2x=14,EE)的雙二倍體[43]、硬粒小麥與脆軸偃麥草(Th.junceum,2n=2x=14,EE)的雙二倍體[44]、以及普通小麥與彭梯卡偃麥草(Th.ponticum,2n=2x=14,EE)的雙二倍體[45]均對赤霉病表現(xiàn)出較強的抗性,表現(xiàn)為抗赤霉菌擴展性,顯著降低了赤霉病侵染率。
在育種實踐上,將長穗偃麥草與小麥雜交育成小偃4號-穗2、早熟小偃4號、7197-0-25-2-1、7197-0-25-2-2、74G96-c3-1、7014Ro、小偃597等品種(系),感赤霉病均較輕,在北方麥區(qū)廣泛種植。山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張曉軍等[46]系統(tǒng)鑒定了小偃麥衍生品系的赤霉病抗性,獲得了13份抗病品系,其中多個品系表現(xiàn)出矮稈、早熟、結(jié)實性好、籽粒飽滿、株型緊湊等優(yōu)良農(nóng)藝性狀,可為小麥抗病遺傳育種提供有價值的親本材料。
山羊草屬是與小麥親緣關(guān)系最為密切的屬,有超過20個種,包括二倍體、四倍體和六倍體種,幾乎所有的山羊草屬的種都可以通過與小麥進行遠(yuǎn)緣雜交,基因轉(zhuǎn)移比較容易。目前鑒定的赤霉病抗性表現(xiàn)較好,可以作為小麥赤霉病抗源的包括粗山羊草(Aegilops tauschii)[47]、擬斯卑爾脫山羊草(A.speltoide)、柱穂山羊草(A.cylindrica)、尾形山羊草(A.caudata)[31]、偏凸山羊草(A.ventricosa)[48]、沙融山羊草[47]等。
以四倍體硬粒小麥Langdon與34個粗山羊草品系雜交,獲得的人工合成六倍體小麥中發(fā)現(xiàn)了3個抗赤霉病較好的材料,其抗性基因來源于粗山羊草(表1)[49]。以258份四倍體小麥波斯小麥PS5與粗山羊草Ae38人工合成六倍體小麥Am3,并以此為供體親本,創(chuàng)制了37份抗性較好的后代材料[50]。以CIMMYT提供的人工合成六倍體小麥中粗山羊草的D組染色體為抗赤霉病基因供體,通過選擇性回交與人工接種鑒定,創(chuàng)造出一些中抗以上水平的優(yōu)質(zhì)兼抗赤霉病新種質(zhì)[51]。
黑麥屬總體赤霉病抗性不強,大多表現(xiàn)為高感,少數(shù)為中度抗病材料[52-53],僅一個黑麥品種荊州 黑 麥(S.cerealecv.Jingzhouheimai)高 抗 赤霉病[54]。
黑麥1R染色體在小麥遺傳改良中發(fā)揮了重要的作用,它攜有豐富的抗病基因,對小麥多種病蟲害表現(xiàn)抗性,包括赤霉病抗性。小麥品系R111是利用小麥-黑麥單體附加系(1R)選育,抗性穩(wěn)定,略低于蘇麥3號,病抗性基因來源于黑麥1R染色體[55]。S42為1BL/1RS易位,高抗赤霉病,其抗性來源于1RS[54]。利用分子標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析表明,黑麥1RS染色體攜帶赤霉病抗性擴展基因,抗性貢獻率為8.4%(表1)[56]。一個1RS-1BS/1BL的小麥-黑麥小片段易位系12-5-1的選育為小麥抗赤霉病育種提供了新的種質(zhì)資源[57]。
在育種實踐上,湖北省荊州地區(qū)農(nóng)科所用當(dāng)?shù)厍G州黑麥與小麥雜交,育成了中抗品種荊州1號、荊州2號、荊州47、荊州66等,曾大面積推廣種植。利用小麥-黑麥代換系——代96(攜有黑麥4R染色體)與小麥品種長武131等雜交,育成中抗赤霉病品種長武98(1)-3-4[58]。
華山新麥草(Psathyrostachys huashanicaKeng,2n=2x=14,NsNs)是禾本科小麥族新麥草屬多年生異花授粉植物,是我國目前珍稀瀕危植物,僅分布于我國秦嶺山脈華山段。赤霉病抗性鑒定顯示,華山新麥草不抗侵入但中抗擴展[17]。利用普通小麥中國春ph2b突變體(CSph2b)與華山新麥草雜交衍生后代,獲得華山新麥草染色體的附加系、代換系或易位系,其中16株表現(xiàn)高抗赤霉病[59]。對45份普通小麥-華山新麥草雜交衍生的后代進行抗赤霉病鑒定,篩選出中抗赤霉病衍生后代H-34-8-2-6-1和H-24-3-1-5-19-1(表1),前者為異代換系,后者為整臂易位系[60]。馬鴻翔等[26]以華山新麥草為供體和中國春為受體進行雜交回交,獲得抗性較中國春明顯提高的4個中華系穩(wěn)定品系。陸維忠等[61]以華山新麥草為供體,中國春和四川J114為受體,經(jīng)連續(xù)多年的回交和復(fù)交,獲得抗赤霉病性穩(wěn)定的寧920290和寧983222等。
利用染色體工程手段可以將外源屬種的有益基因?qū)氲叫←湥M行抗性育種和生產(chǎn)實踐,它是提高小麥抗赤霉病的有效途徑之一。目前,利用小麥近緣種創(chuàng)制了大量的小麥抗赤霉病外源種質(zhì),但在育種上實際應(yīng)用的不多。這可能是因為導(dǎo)入外源染色體往往片段很大,在引入有益基因的同時也帶來一些不良的基因,即遺傳累贅,使得大多外源種質(zhì)農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較差,在小麥抗赤霉病育種工作中很難直接利用。因此,為了充分利用小麥抗赤霉病的近緣物種,取得育種上的突破,還需要通過物理輻射、利用中國春ph1b突變體、殺配子等技術(shù)創(chuàng)造異代換系、易位系、小片段易位系,逐步轉(zhuǎn)移抗病性,才可能育成生產(chǎn)上應(yīng)用的抗赤霉病豐產(chǎn)品種。
除此之外,小麥其他近緣屬的抗赤霉病基因的轉(zhuǎn)移工作仍需加強。如仲彬草屬中的糙毛仲彬草(K.hirsute)和青海以禮草(K.kokonorica)中抗侵入但高抗擴展,黑藥仲彬草(K.melanthera)和無芒仲彬草(K.mutica)抗擴展[17],冰草屬中的扁穗冰草(A.cristatum)同時抗侵入和高抗擴展[17,31],特別是大麥屬中鑒定出豐富的抗病品種[53,62],但目前尚無利用它們創(chuàng)制小麥外源種質(zhì)的報道。外源抗病基因的挖掘和利用仍是一項任重而道遠(yuǎn)的工作。
最后,由于小麥赤霉病抗性屬于數(shù)量性狀,創(chuàng)制的部分小麥外源種質(zhì)盡管抗性有所提高,仍需與目前已經(jīng)穩(wěn)定的、抗性貢獻高的QTL,如Fhb1等進行聚合[38],才有望育成理想的高抗赤霉病小麥優(yōu)良品種。