郭燦,程敦公,齊軍山,劉曉晗,劉海琛,劉秀坤,陳志偉,單寶雪,肖彥軍,張玉梅,趙振東,李法計(jì),李豪圣
(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山東 青島 266109;2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,山東 濟(jì)南 250100;3. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,山東 濟(jì)南 250100;4. 魯東大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025;5. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西 太古 030801)
小麥莖基腐病(Fusarium crown rot,F(xiàn)CR)是由多種鐮刀菌侵染引起的世界性小麥病害,以假禾谷鐮刀菌(Fusarium pseudograminearum)侵染為主[1,2]。 小麥幼苗被鐮刀菌侵染后,莖基部葉鞘和莖稈變褐,嚴(yán)重時(shí)引起幼苗發(fā)黃、枯萎;灌漿期發(fā)病可導(dǎo)致穗子干枯,以致籽粒秕瘦[3,4]。 近年來在我國(guó)小麥主產(chǎn)省份,河南省每年約有10%的小麥?zhǔn)蹻CR 影響,部分地區(qū)產(chǎn)量損失達(dá)50%[5,6];河北省小麥由FCR 引起的白穗率為20% ~50%[7];山東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2020年全省小麥FCR 發(fā)病面積達(dá)80 萬公頃以上,部分地塊白穗率達(dá)30%~50%。 因此,F(xiàn)CR 已成為影響我國(guó)小麥生產(chǎn)的主要病害之一。
近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從抗病基因發(fā)掘和種質(zhì)資源鑒定等方面開展了一系列研究。 在抗病基因發(fā)掘方面,于1A、1D、2A、2B、2D、3A、3B、4B、5B、5D、6A、6B 和6D 等染色體上定位到超過60 個(gè)FCR 相關(guān)QTL 或顯著性位點(diǎn)[3,8-22]。 Ma 等[12]在3BL 染色體上檢測(cè)到一個(gè)FCR 主效QTL,可以解釋49%的表型變異;Zheng 等[23]通過構(gòu)建次生分離群體,將前期定位到的主效QTLQcrs.cpi-3B精細(xì)定位到0.7 cM(1.5 Mb)區(qū)間內(nèi)。 在抗病資源鑒定方面,通過苗期和成株期接種鑒定,檢測(cè)到西農(nóng)979、豫麥18、石優(yōu)17 等約30 個(gè)具有較強(qiáng)FCR抗性的品種[21,24,25]。 但是,已發(fā)掘的主效抗病基因少且分子標(biāo)記缺乏、可用于育種的抗源匱乏仍是當(dāng)前抗病育種工作面臨的主要問題。
為繼續(xù)發(fā)掘FCR 抗病位點(diǎn),本研究以藁城8901/周麥16 構(gòu)建的重組自交系(recombinant inbred line,RIL)群體為材料,結(jié)合構(gòu)建的高密度遺傳連鎖圖譜,對(duì)苗期莖基腐病抗性QTL 進(jìn)行定位,以期為發(fā)掘抗病基因和聚合育種提供理論指導(dǎo)。
本研究以藁城8901/周麥16 構(gòu)建的重組自交系群體(176,F(xiàn)2∶6RILs)為研究材料。 其中,藁城8901 是河北省藁城市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種,周麥16 是河南省周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成的矮稈小麥品種。 前期觀察發(fā)現(xiàn),藁城8901 的FCR 抗性優(yōu)于周麥16。
1.2.1 病原菌擴(kuò)繁、接種和幼苗培養(yǎng) 將假禾谷鐮刀菌接種到PDA 培養(yǎng)基上,待長(zhǎng)滿整個(gè)平板,接入滅菌的麥粒培養(yǎng)基中于25℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)一周左右,定時(shí)搖晃,確保病原菌均勻分布在麥粒表面。 長(zhǎng)滿后備用。
培養(yǎng)前,將麥粒培養(yǎng)基擴(kuò)繁的病原菌和無菌土以3∶100 的質(zhì)量比例混勻,轉(zhuǎn)入培養(yǎng)盆(7 cm×7 cm×7 cm)中,每盆播種8 粒種子,每個(gè)家系播種3 盆,放置溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。 根據(jù)培養(yǎng)盆內(nèi)土壤濕度定期澆水,試驗(yàn)期間不施用任何肥料。 白天溫度控制在25℃左右,夜間溫度控制在20℃左右,連續(xù)培養(yǎng)30 天后調(diào)查。 分別于2020年12月和2021年5月、8月在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所溫室內(nèi)進(jìn)行3 次試驗(yàn)(T1、T1 和T3)。
1.2.2 病情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及病情指數(shù)計(jì)算 每個(gè)家系調(diào)查15 株幼苗,參照楊云等[26]的試驗(yàn)方法對(duì)發(fā)病度進(jìn)行分級(jí),并計(jì)算病情指數(shù)。 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為0 級(jí):植株未發(fā)??;1 級(jí):地下莖明顯變褐或第1 葉鞘出現(xiàn)輕微癥狀;3 級(jí):第1 葉鞘明顯變褐,但未變黑;5 級(jí):第1 葉鞘變黑或第2 葉鞘變褐;7 級(jí):第3 葉鞘出現(xiàn)變褐癥狀,或植株因發(fā)病而發(fā)育遲緩或接近死亡;9 級(jí):植株因病死亡。 病情指數(shù)計(jì)算公式為:
根據(jù)病情指數(shù),將苗期抗病性分為5 類:免疫(I)、高抗(HR)、中抗(MR)、感病(S)和高感(HS),相應(yīng)病情指數(shù)分別為0、0.01 ~10.00、10.01 ~20.00、20.01~30.00 和>30.00。
1.2.3 基因型檢測(cè)和遺傳連鎖圖譜構(gòu)建 于苗期進(jìn)行取樣,提取藁城8901/周麥16 RIL 群體和親本基因組DNA,在北京博奧晶典生物技術(shù)有限公司(http:/ /cn.capitalbio.com/)進(jìn)行小麥90K SNP 基因芯片檢測(cè),檢測(cè)完畢后對(duì)標(biāo)記質(zhì)量進(jìn)行篩選。
RIL 群體遺傳連鎖圖譜構(gòu)建參照文獻(xiàn)[27]。具體步驟如下:第一,利用IciMapping v4.2 軟件的BIN 功能將相互之間沒有交換的標(biāo)記分到同一組內(nèi),并挑選缺失率最低的標(biāo)記作為該組的骨架標(biāo)記;第二,采用JoinMap 4.0 軟件的Grouping 功能對(duì)骨架標(biāo)記進(jìn)行分群;第三,利用MapDisto 1.7 軟件的AutoMap 功能對(duì)骨架標(biāo)記進(jìn)行排序,并計(jì)算遺傳距離;最后,結(jié)合中國(guó)春小麥基因組數(shù)據(jù)(IWGSC RefSeq v1.0,https:/ /urgi.versailles.inra.fr/blast_iwgsc/blast.php)確定每個(gè)連鎖群所在的染色體。
1.2.4 QTL 分析 利用骨架標(biāo)記和苗期FCR 病情指數(shù),采用IciMapping v4.2 的完備區(qū)間作圖法(ICIM)進(jìn)行QTL 分析。 在P=0.01 水平下,所有位點(diǎn)2000 次排列檢驗(yàn)預(yù)測(cè)LOD 閾值介于2.0 ~2.5 之間,因此,為保證結(jié)果準(zhǔn)確性,本研究選擇2.5 作為L(zhǎng)OD 閾值用于鑒定顯著QTL。 不同試驗(yàn)中置信區(qū)間有重疊的視作同一QTL,參考中國(guó)春小麥基因組物理圖譜對(duì)本研究定位到的QTL 與已報(bào)道QTL 進(jìn)行比較(IWGSC RefSeq v1.0,https:/ /urgi. versailles. inra. fr/blast _ iwgsc/blast.php)。
采用Microsoft Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),采用SAS進(jìn)行方差分析。
方差分析結(jié)果(表1)顯示,藁城8901/周麥16 RIL 群體苗期FCR 病情指數(shù)在基因型和試驗(yàn)間均在0.01 水平差異顯著。 因此,可用于抗病性遺傳分析。
表1 小麥苗期莖基腐病病情指數(shù)方差分析
表型分析結(jié)果(表2)表明,在3 次試驗(yàn)中,周麥16 苗期FCR 病情指數(shù)均高于藁城8901,周麥16 表現(xiàn)為高感,藁城8901 表現(xiàn)為感病。 RIL 群體苗期FCR 病情指數(shù)均表現(xiàn)為超親分離,抗性范圍為中抗到高感。
表2 小麥苗期莖基腐病病情指數(shù)表型分析
在RIL 群體中,共有11979 個(gè)高質(zhì)量多態(tài)性SNP 標(biāo)記。 選取3242 個(gè)骨架標(biāo)記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜,標(biāo)記被分到34 個(gè)連鎖群中,連鎖圖譜總長(zhǎng)度為3130.3 cM(表3)。 其中,B 染色體組骨架標(biāo)記數(shù)目最多,遺傳連鎖圖長(zhǎng)度最長(zhǎng),標(biāo)記在染色體上的平均密度也最大;D 染色體組骨架標(biāo)記數(shù)目最少,遺傳連鎖圖長(zhǎng)度最短,標(biāo)記的密度也最小。標(biāo)記在染色體上的平均密度為1.04 個(gè)標(biāo)記/cM。
表3 藁城8901/周麥16 RIL 群體遺傳連鎖圖譜信息
對(duì)3 次試驗(yàn)及平均值進(jìn)行QTL 分析,分別檢測(cè)到3、4、3、4 個(gè)QTL,分布在1D(2)、3B(2)、4A(2)、5B(2)、5D、6A(4)和7B 染色體上,解釋表型變異的4.42%~11.37%(表4,圖1)。
圖1 藁城8901/周麥16 RIL 群體苗期莖基腐病抗性QTL 位置圖
表4 苗期莖基腐病抗性QTL
4 個(gè)QTL 在兩次試驗(yàn)中均被檢測(cè)到。QFCR-S.saas-1DL同時(shí)在T3 和均值中檢測(cè)到,分別解釋表型變異的7.06%和5.62%;QFCR-S.saas-4AS同時(shí)在T1 和均值中檢測(cè)到,分別解釋表型變異的6.71%和6.84%;QFCR-S.saas-6AS-1同時(shí)在T2和T3 中檢測(cè)到,分別解釋表型變異的4.60%和9.42%;QFCR-S.saas-6AS-2同時(shí)在T2 和均值中檢測(cè)到,分別解釋表型變異的5.60%和7.73%。位于7BL 染色體上的QFCR-S.saas-7BL解釋的表型變異最高,達(dá)11.37%。
近年來,隨著秸稈還田的實(shí)施,土壤中病原菌積累量逐年增加,由此引起的小麥FCR 已逐漸成為黃淮麥區(qū)和北部冬麥區(qū)主要病害之一,影響遍及河北、山東、山西、河南、安徽、江蘇等省份,造成的糧食損失逐年增加[5-7]。 化學(xué)防治不僅耗費(fèi)巨大,而且對(duì)環(huán)境安全造成嚴(yán)重影響,不利于農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展,而培育抗病品種是應(yīng)對(duì)FCR 危害最經(jīng)濟(jì)有效的措施。 抗病品種的培育不僅需要抗性穩(wěn)定的抗源用于配制雜交組合,還需要明確的抗病機(jī)理指導(dǎo)材料選擇。 由于我國(guó)小麥FCR 研究起步較晚,尚未發(fā)掘到主效抗病基因并廣泛應(yīng)用,抗病品種和種質(zhì)發(fā)掘數(shù)目也極少,難以滿足育種應(yīng)用。 因此,繼續(xù)發(fā)掘抗病基因和優(yōu)異種質(zhì),不僅有利于抗病遺傳機(jī)制解析,還可為聚合育種提供可用材料。
小麥FCR 抗性由多基因控制,前人研究將抗病基因定位在小麥絕大多數(shù)染色體上,其中3B和4B 染色體QTL 數(shù)目最多,分別有9 個(gè)和10個(gè)[8-22]。 本研究檢測(cè)到的14 個(gè)苗期FCR 抗病QTL 中,有4 個(gè)在兩次試驗(yàn)中穩(wěn)定存在。 其中,3B 染色體上的QFCR-S.saas-3B-1與Pariyar等[19]通過關(guān)聯(lián)分析檢測(cè)到的顯著性標(biāo)記CAP12_rep_c3868_270 物理位置相距約1 Mb,可能為同一位點(diǎn)。 1DL 染色體上檢測(cè)到的QFCR-S.saas-1DL,與Collard[9]、Bovill[11]、Martin[17]、周淼平[18]等在該染色體上檢測(cè)到的QTL 位置不一致;此外,6A 染色體上兩個(gè)穩(wěn)定存在的QTL 位置也與Yang[21]、Rahman[22]等報(bào)道的位點(diǎn)不一致,還需做進(jìn)一步研究。
江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所以高感赤霉病的小麥品種阿夫與中感赤霉病品種臺(tái)灣小麥雜交,于20 世紀(jì)70年代初育成赤霉病抗性超親的高抗品種蘇麥3 號(hào)[28]。 本研究中,用感和高感FCR 創(chuàng)建的RIL 群體中,部分家系FCR 抗性水平達(dá)到中抗,說明基因重組、累加、互作,嚴(yán)格選擇和鑒定雜種后代,有可能育成超親抗病新品種。 程順和等[29]認(rèn)為避開豐產(chǎn)性差的抗源的應(yīng)用,重視豐產(chǎn)性好、不高感赤霉病的親本間配組,把抗赤霉病育種作為大面積豐產(chǎn)育種的一部分,并提出用中感到中抗的豐產(chǎn)親本材料進(jìn)行配組取代赤霉病抗性好但豐產(chǎn)性很差的親本,在后代鑒定篩選時(shí),針對(duì)豐產(chǎn)性的同時(shí)進(jìn)行赤霉病抗性選擇,以解決豐產(chǎn)與赤霉病抗性之間的矛盾。 在今后小麥抗FCR 育種中也應(yīng)兼顧抗性和豐產(chǎn)性。