蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許凌凌

小麥赤霉病是小麥最重要的穗部病害，主要是由禾谷鐮刀菌引起，會使小麥籽粒干枯，皺縮和粒重下降，從而導(dǎo)致小麥產(chǎn)量下降，每年都給小麥生產(chǎn)帶來較大的損失。目前生產(chǎn)上主要利用抗病品種來防治它。隨著生物技術(shù)水平的提高，組學(xué)被應(yīng)用到了小麥赤霉病研究中，發(fā)掘了很多參與小麥赤霉病抗性的相關(guān)基因。因此，了解小麥赤霉病抗性研究的最新成果，可以為實(shí)現(xiàn)小麥抗赤霉病分子育種奠定基礎(chǔ)。

1 赤霉病抗性的組學(xué)研究

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，利用組學(xué)技術(shù)解析小麥抗赤霉病的分子機(jī)制已成為研究熱點(diǎn)。

1.1 轉(zhuǎn)錄組學(xué)

目前，研究者利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)發(fā)掘了許多小麥赤霉病抗性相關(guān)基因，這些基因在小麥應(yīng)答赤霉病菌過程中起重要作用。對小麥抗感品種接種赤霉病菌，利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了46 個在接種后72 小時內(nèi)抗感品種間差異表達(dá)的基因，其中5 個基因在抗病品種中上調(diào)表達(dá)，可能在赤霉病抗性中起重要作用。構(gòu)建小麥接種赤霉病菌24 小時后的cDNA 文庫，檢測到80 個誘導(dǎo)表達(dá)基因，發(fā)現(xiàn)其可能在木質(zhì)素形成、植物抗毒素產(chǎn)生等過程中起重要作用。通過分析接種后72 小時的小麥赤霉病抗感近等基因系的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在受到赤霉病菌侵染后，小麥糖代謝相關(guān)基因被激活，光合作用受到抑制。對抗感品種接種赤霉病菌后24 小時和48小時的轉(zhuǎn)錄組RNA 測序分析，發(fā)現(xiàn)抗感品種和水對照相比較均上調(diào)表達(dá)的基因250 個，主要涉及茉莉酸和乙烯代謝通路。

1.2 蛋白組學(xué)

利用蛋白組學(xué)分析小麥?zhǔn)艹嗝共【秩竞蟮鞍踪|(zhì)差異表達(dá)情況對赤霉病抗性研究也很有成效。利用蛋白質(zhì)雙向電泳技術(shù)分析接種赤霉病菌后小麥蛋白質(zhì)的變化，檢測到18 個差異表達(dá)蛋白，其中一些蛋白質(zhì)具有抗氧化功能。對接種赤霉病菌的抗感近等基因系分析，發(fā)現(xiàn)有10 種蛋白質(zhì)受到誘導(dǎo)表達(dá)，推測這些蛋白質(zhì)可能參與加固小麥細(xì)胞壁的過程。用赤霉病菌接種小麥，病程相關(guān)蛋白的豐度也會發(fā)生明顯變化。

1.3 代謝組學(xué)

隨著質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，以其為技術(shù)平臺的代謝組學(xué)在小麥赤霉病抗性研究中逐漸增多。對接種赤霉病菌后不同時間段的抗感近等基因系小麥穎殼代謝圖譜進(jìn)行分析，共檢測到170 個差異代謝物，主要參與茉莉酸、乙烯等的合成途徑。用赤霉病菌接種小麥抗感品種，通過代謝組學(xué)檢測到16 個抗病代謝物，確定其中一些為信號分子。用混合質(zhì)譜對小麥抗感近等基因系比較分析，發(fā)現(xiàn)苯丙烷路徑中產(chǎn)生的抗性相關(guān)代謝物得到積累，抗病顯著高于感病的水平，這些代謝物通過提高小麥細(xì)胞壁厚度降低病原菌的傳播[1]。植物對赤霉病菌脅迫響應(yīng)的機(jī)制是復(fù)雜的，只有把小麥赤霉病抗性與組學(xué)研究結(jié)合起來，才能更好地揭示小麥對赤霉病菌脅迫的響應(yīng)和抗性機(jī)制。

2 赤霉病的抗性類型和鑒定接種方法

2.1 抗性類型

小麥赤霉病抗性具有多種類型，研究熱點(diǎn)主要集中在抗赤霉病初侵染（類型I）和抗赤霉病擴(kuò)展（類型II）兩種類型。類型I 抗性是小麥對病原菌初侵染的抗性，類型II 抗性反映小麥抵御赤霉病菌擴(kuò)展的能力。研究中，通常采用不同的接種方法區(qū)分類型I 和類型II抗性。類型I 抗性鑒定是將孢子懸浮液噴灑于處于揚(yáng)花期的小穗上，間隔數(shù)日后統(tǒng)計(jì)整體感病的小穗數(shù)和穗數(shù)。類型II 抗性鑒定是將接種孢子液注入麥穗中間的小花中，一段時期后統(tǒng)計(jì)感病的小穗數(shù)。由于類型II抗性比類型I 抗性更穩(wěn)定，更容易檢測，類型II 也因此是研究最為廣泛的抗性類型。

2.2 鑒定接種方法

無論何種類型抗性，對于赤霉病的抗性評價、基因的定位及抗病品種培育而言準(zhǔn)確的鑒定方法都非常關(guān)鍵。

2.2.1 單花滴注接種鑒定法

在小麥揚(yáng)花初期對穗中部的一個小花注射孢子液，并標(biāo)記接種時間，在接種21 天，統(tǒng)計(jì)病小穗數(shù)、病小穗率或反應(yīng)級，進(jìn)行抗病性評價。

2.2.2 穗軸接種鑒定法

在小麥抽穗后，將接種孢子液注射到穗基部節(jié)間內(nèi)部，根據(jù)第1 個病小穗出現(xiàn)的時間以及接種后25 天的病小穗率來綜合評價材料的擴(kuò)展抗性。

2.2.3 重病區(qū)自然鑒定法

在赤霉病發(fā)病嚴(yán)重地區(qū)種植鑒定材料，完全依靠自然發(fā)病，將發(fā)病結(jié)果與人工接種鑒定相結(jié)合用于評價小麥品種的赤霉病抗性。

2.2.4 孢子噴霧接種鑒定法

模擬自然條件下病原菌對小麥的侵染能力，能同時反映小麥對赤霉病的抗侵染和抗擴(kuò)展能力。以病穗率、病情指數(shù)、相對抗病性和相對病情指數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)?？筛鶕?jù)不同的抗性類型選擇不同的鑒定接種方法。

3 赤霉病抗性機(jī)制

小麥抗赤霉病機(jī)制早期是從形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化和分子基礎(chǔ)等層次來研究，近期主要在小麥器官、組織、細(xì)胞水平上進(jìn)行探討，取得了一定的進(jìn)展，可以部分解釋抗赤霉病的機(jī)制，并用于抗赤霉病育種工作中。

3.1 細(xì)胞壁防衛(wèi)

在小麥細(xì)胞壁防衛(wèi)與赤霉病抗性關(guān)系上，研究者做了大量工作。利用綠色熒光蛋白標(biāo)記的禾谷鐮刀菌接種抗性不同的小麥品種，在接種后2 天病原菌就能通過感病品種的小穗基部組織到達(dá)小麥穗軸并延伸侵入鄰近小穗。但在抗病品種體內(nèi)，病原菌接種后6 天仍然終止于小穗基部的致密組織處，說明小麥的組織結(jié)構(gòu)如細(xì)胞壁的防衛(wèi)作用是小麥抵擋赤霉病菌入侵的第一道屏障。纖維素是植物細(xì)胞壁中最堅(jiān)固的部分，由木聚糖、阿拉伯木聚糖等單糖構(gòu)成堅(jiān)硬的網(wǎng)絡(luò)。研究表明，木聚糖骨架上阿拉伯糖的糖基化在作物抗真菌病中具有重要作用。禾谷類作物細(xì)胞壁中木聚糖骨架上阿拉伯糖的糖基化程度與細(xì)胞壁強(qiáng)度和抗病性呈正相關(guān)。小麥赤霉病抗性品系穗部細(xì)胞壁阿拉伯糖基化程度顯著高于感病品系，果膠質(zhì)甲基化受病原菌強(qiáng)烈誘導(dǎo)。多酚氧化酶在病原菌侵染小麥過程中可以通過催化木質(zhì)素及醌類化合物的合成起抵御作用，小麥抗病品種在接種赤霉病菌后48 小時，小穗中多酚氧化酶活性急劇升高，醌類物質(zhì)積累，導(dǎo)致接種部位組織的死亡，使小麥免受外來病原物的脅迫。

3.2 識別應(yīng)答反應(yīng)

病原菌侵染植物時，植物是以依賴每個細(xì)胞的天然免疫系統(tǒng)以及從感染部位產(chǎn)生的系統(tǒng)信號抵御病原菌的侵襲。研究發(fā)現(xiàn)植物主要有兩種保護(hù)機(jī)制，第一類是植物通過細(xì)胞表面的模式識別受體識別病原菌相關(guān)分子模式，引發(fā)免疫反應(yīng)。第二類是植物進(jìn)化出一些抗性蛋白以識別由病原菌分泌到宿主細(xì)胞內(nèi)的毒性效應(yīng)，從而引發(fā)效應(yīng)子激發(fā)免疫，引發(fā)針對病原菌的特異而強(qiáng)烈的防衛(wèi)反應(yīng)來建立植物的抗性。目前已發(fā)現(xiàn)多個植物模式識別受體，其中研究最深入的有BR2 相關(guān)激酶（BRⅡ-associated kinase1，BAK1），BAK1 是多功能的類受體激酶，作為信號的調(diào)控子，調(diào)控免疫信號的放大、終止和轉(zhuǎn)導(dǎo)[2]。抗菌肽是一類小分子多肽，經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生，主要通過形成離子通道直接破壞細(xì)胞膜來殺滅病原真菌。植物抗菌肽能抑制病原菌的生長繁殖，因此，將抗菌蛋白類基因轉(zhuǎn)入小麥也能提高小麥對赤霉病等真菌性病害的抗性。為了抵御入侵，植物在識別病原菌后，必須及時調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)以激活大量防衛(wèi)相關(guān)基因，發(fā)現(xiàn)小麥品種抗感近等基因系接種赤霉病菌后，與植物抗病反應(yīng)緊密相關(guān)的3 類轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生明顯上調(diào)，表明其在對赤霉病菌的防衛(wèi)反應(yīng)中起到了十分重要的作用。

3.3 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

細(xì)胞內(nèi)的信號分子負(fù)責(zé)把信息傳遞到胞內(nèi)特定部位，產(chǎn)生特定的細(xì)胞效應(yīng)，稱為第二信使，植物細(xì)胞第二信使鈣離子是磷脂酸合成途徑的關(guān)鍵酶，鈣離子信號通路是植物中重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，外界環(huán)境中的多種刺激因素都會首先引起植物細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的變化，以鈣離子和鈣調(diào)蛋白為核心的鈣信使系統(tǒng)在植物對外界信號響應(yīng)中起重要作用。第一個植物鈣結(jié)合蛋白激酶于1992 年在蘋果中分離得到，隨后在玉米、水稻作物中也分離出鈣結(jié)合激酶，它們在結(jié)構(gòu)上為長度和序列信息不保守的N 端、蛋白激酶催化結(jié)構(gòu)域、鈣調(diào)蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域和C 端結(jié)構(gòu)域。利用小麥培養(yǎng)細(xì)胞研究真菌激發(fā)子誘導(dǎo)的防衛(wèi)相關(guān)基因表達(dá)發(fā)現(xiàn)，鈣結(jié)合激酶參與了小麥對病原菌的防衛(wèi)反應(yīng)[3]。

4 抗赤霉病育種

我國自20 世紀(jì)40 年代初開始小麥赤霉病抗性改良，至今，已篩選得到數(shù)百份小麥赤霉病中抗以上的品種。目前，抗赤霉病育種主要有常規(guī)育種、利用近緣種質(zhì)、細(xì)胞工程育種和轉(zhuǎn)基因育種等方式。

4.1 常規(guī)育種

由于我國許多地區(qū)都有赤霉病發(fā)生，存在自然選擇壓，通過系統(tǒng)選育長期對病害有適應(yīng)性的品種，篩選出了不少抗赤霉病的地方品種，如望水白、寧麥13 等。另外，利用赤霉病感病或中感品種為親本雜交，在后代中選出赤霉病抗性超親類型，培育抗病品種，在抗赤霉病品種改良中已取得很好的效果，如蘇麥3 號、鎮(zhèn)7495等都是通過這種方法雜交培育的。蘇麥3 號高抗赤霉病，抗性遺傳傳遞力強(qiáng)，配合力好，是最好的抗源之一，作為赤霉病抗源得到廣泛利用，在重病區(qū)和一般肥力區(qū)有不錯的利用價值。但這種單交方法往往很難將所需多種性狀綜合起來，所以還需要用復(fù)交或階梯雜交方法，在邊選擇邊雜交的過程中，逐步加入新的親本以改良不夠理想的性狀。如以含有抗白粉病基因的品種紅蜷芒為父本，以中抗赤霉病、弱筋小麥寧麥9 號為母本雜交，雜交后代選擇抗病單株再與寧麥9 號連續(xù)回交5 次，育成中抗赤霉病、抗白粉病的弱筋小麥品種揚(yáng)麥21。階梯雜交是在單交或復(fù)交后發(fā)現(xiàn)仍然存在某些缺點(diǎn)而繼續(xù)選用相應(yīng)的親本進(jìn)行互補(bǔ)雜交的一種方式，揚(yáng)麥5 號和揚(yáng)麥158 就是通過階梯雜交方式選育而成的。揚(yáng)麥5 號具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、適應(yīng)性廣、綜合豐產(chǎn)性狀優(yōu)良等特點(diǎn)，中抗赤霉病、白粉病和條銹病。后育成的揚(yáng)麥158 屬春性中熟類型，幼苗直立，成穗率高，抗性優(yōu)于揚(yáng)麥5 號，達(dá)中抗以上水平?？沟剐院茫瑑龊p，受凍害后的恢復(fù)力強(qiáng)，耐濕，灌漿速度快，耐高溫逼熟，熟相好。

4.2 近緣種質(zhì)的利用

通過普通小麥和小麥近緣種進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，創(chuàng)制雙二倍體、異附加系、易位系等，已將部分小麥近緣種的抗赤霉病基因?qū)肫胀ㄐ←湣Ｈ缧←溸z傳學(xué)家創(chuàng)制了一系列硬粒小麥品種與野生二粒小麥品系的二體異代換系，在大田和溫室對材料進(jìn)行了抗赤霉病的鑒定，發(fā)現(xiàn)代換系的赤霉病抗性好于雙親，因此將抗病基因?qū)肫胀ㄐ←溨小Ｖ袊?大賴草易位系中也有很多與它們的親本中國春相比具有更高的赤霉病抗性，有一些抗性水平與蘇麥3 號相當(dāng)。偃麥草屬中的許多種質(zhì)資源都具有抗赤霉病擴(kuò)展特性，對培育的普通小麥中國春-長穗偃麥草的雙二倍體以及一整套的二體附加系進(jìn)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，染色體上可能存在微效抗性基因。普通小麥和天藍(lán)偃麥草的雙二倍體，表現(xiàn)出對赤霉病的較強(qiáng)抗性，硬粒小麥和脆軸偃麥草的雙二倍體，可以顯著降低赤霉病侵染率。普通小麥和彭梯卡偃麥草的雙二倍體，具有抗赤霉病擴(kuò)展性。將外源染色體導(dǎo)入小麥進(jìn)行抗性育種，也是提高小麥抗赤霉病的有效方法。鵝觀草屬是小麥族中抗赤霉病較好、抗源最多的一個屬，利用普通小麥中國春與鵝觀草正反交，F(xiàn)1代對赤霉病表現(xiàn)高抗。利用小麥-黑麥單體附加系選育出抗性穩(wěn)定的小麥品系R111。將長穗偃麥草與小麥雜交育成早熟小偃4 號，對赤霉病具有較好的抗性。導(dǎo)入外源染色體，盡管提高了小麥的赤霉病抗性，但大多農(nóng)藝性狀較差，在小麥抗赤霉病育種工作中很難被直接利用。

4.3 細(xì)胞工程和轉(zhuǎn)基因育種

在植物組織培養(yǎng)再生植株中出現(xiàn)的變異為體外細(xì)胞無性系變異，體細(xì)胞無性系變異是植物組織培養(yǎng)中的普遍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)證明絕大多數(shù)變異可以遺傳，因而可在育種中加以利用。如利用寧麥3 號、揚(yáng)麥5 號等農(nóng)藝性狀優(yōu)良且豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)品種的幼胚，經(jīng)脫分化形成愈傷組織再脫分化成苗，經(jīng)過選擇和鑒定，育成了一批抗赤霉病且農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新品種。近年，研究者主要利用基因槍將抗赤霉病相關(guān)基因?qū)胄←?，提高轉(zhuǎn)基因植株的赤霉病抗性?；驑尫ㄊ菍⑼庠碊NA 包被在微米級惰性粒子表面，在高壓氣流的作用下，直接導(dǎo)入受體細(xì)胞，整合到植物染色體上，從而實(shí)現(xiàn)對受體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化。將NPR1 基因?qū)胄←溒贩N，可提高小麥的抗赤霉病擴(kuò)展能力。如將NPR1 基因轉(zhuǎn)入小麥品種揚(yáng)麥11中，獲得的轉(zhuǎn)基因植株對赤霉病具有明顯的穗期抗擴(kuò)展能力。將具有降解赤霉病毒素功能的乙?；D(zhuǎn)移酶基因FsTRI101 轉(zhuǎn)化到小麥中，可提高小麥赤霉病的抗性。

2020 年9 月15 日，小麥赤霉病被中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列入《一類農(nóng)作物病蟲害名錄》，解決小麥赤霉病病害已經(jīng)成為一個刻不容緩的問題。因此本文從多方面介紹了小麥赤霉病抗性研究的進(jìn)展，以期為小麥赤霉病的進(jìn)一步研究提供理論參考。