羅同平,黃春東,張?jiān)滦郏劓骆?,岑貞陸,?馳,韋敏益,秦 鋼,馬增鳳,黃大輝
(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣西水稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家水稻改良中心南寧分中心,南寧 530007;2.玉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院桂東南分院,廣西 玉林 537000;3.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所,南寧 530007;4.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,南寧 530007)
【研究意義】水稻白葉枯病由革蘭氏陰性菌黃單孢菌[Xanthomonasoryzaepv.oryza(Xoo)]引起,是水稻的重要細(xì)菌性病害,可造成高達(dá)50%的水稻產(chǎn)量損失[1-2]。細(xì)菌性條斑病(簡(jiǎn)稱細(xì)條病)由革蘭氏陰性菌黃單孢菌[X.oryzaepv.oryzicola(Xoc)]引起,是屬于檢疫對(duì)象的細(xì)菌性病害,暴發(fā)時(shí)水稻產(chǎn)量損失高達(dá)40%。利用抗性基因培育抗性品種是防治白葉枯病和細(xì)條病最經(jīng)濟(jì)有效的途徑。我國(guó)白葉枯病抗性資源豐富,目前已從各類稻種資源中發(fā)現(xiàn)46個(gè)白葉枯病抗性基因[3]。細(xì)條病抗源在稻種資源中也較豐富,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)包括qBlsr5a在內(nèi)的13個(gè)抗細(xì)條病QTLs,以及BLS1、bls2和Xo1等少數(shù)幾個(gè)主效抗病基因[4-7]。白葉枯病和細(xì)條病病原菌屬于黃單孢菌的2個(gè)變種,二者在形態(tài)特征、生物學(xué)特性及病害流行因素等方面均很相似。因此,篩選既抗白葉枯病又抗細(xì)條病的抗源,對(duì)豐富我國(guó)水稻育種遺傳基礎(chǔ)具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前發(fā)現(xiàn)的46個(gè)抗白葉枯病基因中已有16個(gè)主效基因獲得克隆[3]。與白葉枯病研究相比,僅有BLS1、bls2和Xo1等少數(shù)幾個(gè)主效抗細(xì)條病基因得到克隆和分子標(biāo)記定位[4, 6-7]。其中,抗病基因bls2被精細(xì)定位在2號(hào)染色體上的RM13592和RM13599分子標(biāo)記之間[4];BLS1基因位于第6染色體,過(guò)表達(dá)BLS1或低表達(dá)其等位基因bls1,會(huì)減弱或增強(qiáng)水稻對(duì)條斑病細(xì)菌特定小種JZ-8的抗性,但過(guò)表達(dá)BLS1或低表達(dá)bls1基因都能提高水稻的非小種特異性廣譜抗性,說(shuō)明BLS1和bls1基因?qū)oc菌株JZ-8的小種特異性抗性具有負(fù)調(diào)控作用,而對(duì)廣譜抗性具有正調(diào)控作用和負(fù)調(diào)控作用[6];Xo1是顯性抗細(xì)條病基因,被定位在第4染色體1.09 Mbp范圍內(nèi)[7]??茖W(xué)家們一直在上述基因中發(fā)掘和利用既抗白葉枯病又抗細(xì)條病的基因。姬廣海和許志剛[8]、郭亞輝和許志剛[9]研究發(fā)現(xiàn),在攜帶不同白葉枯病抗性基因的近等基因系中,xa5基因?qū)Π兹~枯病和細(xì)條病均具有很強(qiáng)的抗性。基因克隆結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明,xa5(qBlsr5a)是兼抗白葉枯病和細(xì)條病的基因[5]。秦鋼等[10]從285份水稻材料中鑒定出9份兼抗白葉枯病和細(xì)條病的水稻資源,其中2份攜帶xa5基因。劉馳等[11]利用xa5基因培育出兼抗白葉枯病和細(xì)條病的多抗、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)恢復(fù)系桂恢663。xa5基因是隱性基因,可有效應(yīng)用于常規(guī)水稻品種抗性改良,但用于雜交稻品種需同時(shí)改良多個(gè)親本的抗性,xa5基因的應(yīng)用效果會(huì)受到限制[12]。不同遺傳背景能影響基因表達(dá)效果,因此也有研究認(rèn)為xa5基因是部分顯性基因[13],能有效應(yīng)用于雜交稻抗性改良。目前水稻育種存在遺傳基礎(chǔ)狹窄及同質(zhì)化嚴(yán)重問(wèn)題,導(dǎo)致難以培育出具有突破性的新品種[14]。廣西普通野生稻具有豐富的遺傳多樣性,是水稻品種改良、培育新品種的重要基因源[15],利用廣西普通野生稻已培育出桂99和測(cè)253兩個(gè)優(yōu)良恢復(fù)系[16-17]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前,針對(duì)xa5基因應(yīng)用于雜交稻抗性改良的可行性研究鮮見(jiàn)報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用攜帶xa5基因的廣西普通野生稻與感病親本雜交,選出后代優(yōu)良單株,再與優(yōu)良主栽水稻品種雜交,培育強(qiáng)優(yōu)勢(shì)恢復(fù)系,組配出含xa5基因的雜交組合,并對(duì)其抗性進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià),為豐富我國(guó)水稻抗性育種的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)及水稻白葉枯病和細(xì)條病的抗性改良提供理論依據(jù)。
普通野生稻DP3(也稱PY3)、秈稻9311、不育系平豐A等供篩選xa5基因的102份水稻品種資源(材料)(包括廣恢998)均由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所抗性育種研究室收集提供。田間抗性鑒定接種所用菌株為華南秈稻區(qū)白葉枯強(qiáng)毒菌株(Ⅴ型)及抗性鑒定圃接種細(xì)條病菌株JZ-8(廣西優(yōu)勢(shì)Ⅱ致病型),均由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供。
1.2.1 抗病基因xa5檢測(cè) 采用CTAB法[18]提取水稻葉片基因組DNA。根據(jù)Blair等xa5基因定位結(jié)果,結(jié)合IRGSP(2005)的SSR標(biāo)記總表,選用與xa5緊密連鎖且多態(tài)性好的分子標(biāo)記RM17743作為檢測(cè)標(biāo)記。參考劉馳等[11]的方法進(jìn)行抗病基因xa5的分子標(biāo)記檢測(cè)。引物(RM17743F:5′-CCTTGCTAGATCTGACGGTTCTC-3′,RM17743R:5′-AGGACTCTCTGTCACCGCTTCG-3′)由北京奧科鼎盛生物科技有限公司合成。PCR反應(yīng)體系10.0 μL:1.0 μL DNA模板,0.8 μL引物,1.0 μL Buffer,0.2 μL dNTP(10 mmol/L),0.1 μLTaq酶(5 U/L),ddH2O2補(bǔ)足10.0 μL;擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,進(jìn)行35個(gè)循環(huán);72 ℃再延伸5 min。PCR反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)聚丙烯酰胺凝膠電泳后銀染顯色。
1.2.2 白葉枯病抗性鑒定 參照Kauffman等[19]的方法將培養(yǎng)的白葉枯病菌用無(wú)菌水稀釋為1×109CFU/mL,采用人工剪葉法于分蘗盛期接種,每株接種5張葉片,21 d后根據(jù)Gu 等[20]的調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查病斑長(zhǎng)度和抗性級(jí)別,其中,病斑長(zhǎng)度≤3.0 cm為抗(R),3.0 cm﹤病斑長(zhǎng)度≤6.0 cm為中抗(MR),6.0 cm﹤病斑長(zhǎng)度≤9.0 cm為中感(MS), 病斑長(zhǎng)度﹥9.0 cm為感(S)。
1.2.3 細(xì)條病抗性鑒定 參考岑貞陸等[21]的針刺法在水稻分蘗期接種,接種20 d后參考農(nóng)秀美等[22]的方法,以病斑長(zhǎng)度1.5 cm作為抗、感分界線,按照如下標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查病情:免疫(I),傷口無(wú)癥狀或僅有褐點(diǎn);高抗(HR),0.1 cm<病斑長(zhǎng)度≤0.5 cm;抗(R),0.5 cm<病斑長(zhǎng)度≤1.0 cm;中抗(MR),1.0 cm﹤病斑長(zhǎng)度≤1.5 cm;感(S),1.5 cm﹤病斑長(zhǎng)度≤2.5 cm;高感(HS),病斑長(zhǎng)度﹥2.5 cm。
1.2.4 野栽型強(qiáng)恢復(fù)系選育 按照莫永生等[17]的方法,結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇選育野栽型強(qiáng)恢復(fù)系。
水稻產(chǎn)量及米質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣西農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳官方網(wǎng)站-種子管理專欄的區(qū)試結(jié)果(http://nynct.gxzf.gov.cn/gxzyl),采用Excel 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
利用與xa5基因緊密連鎖的分子標(biāo)記RM17743對(duì)普通野生稻DP3、秈稻9311和不育系平豐A等102份材料進(jìn)行檢測(cè),其中,攜帶xa5基因的單株N36、廣恢998和DP3等能擴(kuò)增出小于100 bp的特異片段;經(jīng)多次重復(fù)檢測(cè),新B未能擴(kuò)增出相應(yīng)的特異片段(圖1)。由表1可知,從102份水稻材料中篩選出17份攜帶xa5基因的材料,分別為DP3、IRBB5、N36、廣恢998、N663、金香B、群B、N776、N777、N779、桂99、華秈粳、P89、白R(shí)54、白R(shí)55、白R(shí)56和五山絲苗,xa5基因在102份材料中出現(xiàn)頻率為16.7%。如表2所示,經(jīng)抗性鑒定,DP3、IRBB5、N36、N776、N777、N779和P89等7份材料對(duì)白葉枯病和細(xì)條病均表現(xiàn)為抗;廣恢998中抗細(xì)條病,感白葉枯病;桂99和華秈粳對(duì)白葉枯病和細(xì)條病均表現(xiàn)為感;其他材料對(duì)白葉枯病和細(xì)條病均表現(xiàn)為中抗以上抗性。7份兼抗白葉枯病和細(xì)條病水稻材料的獲得為培育抗白葉枯病兼抗細(xì)條病水稻品種提供了重要基因資源。
M:DL2000 Marker;1:金剛30;2:9311;3:平豐A;4:IRBB5(陽(yáng)性對(duì)照);5:金剛30(陰性對(duì)照);6~32:其他材料(其中,13為新B,16為N36,25為廣恢998,26為DP3);箭頭所指為DNA片段大小M:DL2000 Marker;1:Jingang 30;2:9311;3:Pingfeng A;4:IRBB5(positive control);5:Jingang 30(negative control);6-32:The other materials(including 13 of Xin B,16 of N36,25 of Guanghui 998 and 26 of DP3);Arrow line indicated the size of DNA fragment圖1 xa5基因檢測(cè)Fig.1 Detection of xa5 gene
表1 102份水稻材料的xa5基因檢測(cè)
按照?qǐng)D2所示開(kāi)展野栽型強(qiáng)恢復(fù)系野香占選育:2008年早造,以分子標(biāo)記檢測(cè)含有xa5基因并兼抗白葉枯病和細(xì)條病的普通野生稻DP3為父本,以9311為母本進(jìn)行雜交獲得雜交種,晚造種植雜交種并獲得后代種子;2009年早造,大規(guī)模種植DP3×9311雜交組合的F2代植株2000株以上,結(jié)合分子標(biāo)記選擇,從中篩選獲得農(nóng)藝性狀較優(yōu)良的單株Y240-1,晚造以該單株為父本,以綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的廣恢998為母本進(jìn)行雜交,獲得雜交種;2010年早造種植Y240-1×廣恢998的F1群體,2010年晚造大規(guī)模種植F2群體(2000株以上),通過(guò)分子標(biāo)記選擇,從中選出優(yōu)良單株自交形成不同株系;2011年早造,從Y240-1×廣恢998的F3群體開(kāi)始,通過(guò)系譜法,結(jié)合分子標(biāo)記選擇,于2014年晚造篩選出攜帶純合型xa5基因的株系,包含N717、N776、N812和N918的4個(gè)優(yōu)良株系(圖3);4個(gè)優(yōu)良株系繼續(xù)自交,并分別與平豐A、豐田1A和思豐A等不同不育系測(cè)交,經(jīng)過(guò)優(yōu)中選優(yōu),至2017年晚造,篩選出雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)、農(nóng)藝性狀優(yōu)良的株系N776,并將該恢復(fù)系命名為野香占。野香占于2022年獲得植物新品種權(quán)。
圖2 野香占系譜圖Fig.1 Pedigree diagram of Yexiangzhan
M:DL2000 Marker;1:DP3;2:9311;3:平豐A;4:IRBB5(陽(yáng)性對(duì)照);5:金剛30(陰性對(duì)照);6~32:后代材料[其中,23、24、25和26分別為攜帶純合型xa5基因的4個(gè)優(yōu)良株系 N717、N776(野香占)、N812和N918];箭頭所指為DNA片段大小M:DL2000 Marker;1:DP3;2:9311;3:Pingfeng A;4:IRBB5(positive control);5:Jingang 30(negative control);6-32:The other materials[including 23(N717),24(N776, Yexiangzhan),25(N812) and 26(N918) indicated the 4 elite lines with homozygous of xa5];Arrow line indicated the size of DNA fragment圖3 xa5基因分子標(biāo)記輔助選擇檢測(cè) Fig.3 Molecular marker-assisted selection of xa5 gene
以IRBB5為抗病對(duì)照,金剛30為感病對(duì)照,利用白葉枯華南秈稻區(qū)強(qiáng)毒菌株(Ⅴ型)和細(xì)條病廣西優(yōu)勢(shì)Ⅱ致病型菌株JZ-8對(duì)野香占、平豐A及野香占涉及的親本DP3、9311和廣恢998進(jìn)行抗性鑒定。結(jié)果表明,攜帶純合型xa5基因的DP3、IRBB5和野香占對(duì)白葉枯病和細(xì)條病均表現(xiàn)兼抗;經(jīng)標(biāo)記檢測(cè),攜帶xa5基因的廣恢998感白葉枯病,中抗細(xì)條??;平豐A、9311和感病對(duì)照金剛30抗性反應(yīng)一致,均表現(xiàn)為感白葉枯病、高感細(xì)條病(表2)??梢?jiàn),野栽型兼抗白葉枯病和細(xì)條病恢復(fù)系野香占的選育有利于拓寬水稻遺傳基礎(chǔ)。
表2 水稻材料的抗性級(jí)別和平均病斑長(zhǎng)度比較
野香占與平豐A配制的感光雜交稻新組合平豐優(yōu)香占于2022年通過(guò)廣西壯族自治區(qū)農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定(審定編號(hào):桂審稻2022036號(hào))。該組合2020和2021兩年區(qū)試平均產(chǎn)量為493.96 kg/666.7 m2,比豐田優(yōu)553(CK)增產(chǎn)4.96%,全生育期平均為121.4 d,比豐田優(yōu)553(CK)長(zhǎng)4.0 d;2021年多點(diǎn)生產(chǎn)試驗(yàn)全生育期平均121.3 d,比豐田優(yōu)553(CK)長(zhǎng)5.0 d,平均產(chǎn)量為477.18 kg/666.7 m2,比豐田優(yōu)553(CK)增產(chǎn)2.88%,增產(chǎn)點(diǎn)比例達(dá)75%,米質(zhì)達(dá)部標(biāo)2級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn)。平豐優(yōu)香占的抗性表現(xiàn):稻瘟病抗性綜合指數(shù)2020—2021年度分別為3.0和4.0,穗瘟損失率最高級(jí)3級(jí);白葉枯病2020—2021年度分別為5級(jí)和3級(jí);中抗稻瘟病、中感白葉枯病。為進(jìn)一步科學(xué)評(píng)價(jià)攜帶xa5基因的野香占在白葉枯病和細(xì)條病抗性育種改良中的利用價(jià)值,以IRBB5為抗病對(duì)照,金剛30為感病對(duì)照,利用白葉枯華南秈稻區(qū)強(qiáng)毒菌株(Ⅴ型)和細(xì)條病廣西優(yōu)勢(shì)Ⅱ致病型菌株JZ-8對(duì)野香占、平豐A及二者的雜交組合平豐優(yōu)香占進(jìn)行抗性鑒定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)野香占的抗性反應(yīng)與陽(yáng)性對(duì)照IRBB5一致,二者對(duì)白葉枯病和細(xì)條病均表現(xiàn)為抗;平豐A的抗性反應(yīng)與感病對(duì)照金剛30一致,均感白葉枯病、高感細(xì)條?。浑s交組合平豐優(yōu)香占對(duì)白葉枯病和細(xì)條病均表現(xiàn)中抗(表3)。根據(jù)對(duì)抗性級(jí)別和病斑長(zhǎng)度的分析結(jié)果,攜帶xa5基因的野香占能組配出抗性比感病親本得到明顯改良的雜交組合,說(shuō)明xa5基因具有部分顯性效應(yīng),在雜交稻抗性改良中具有一定應(yīng)用潛力。
表3 野香占、平豐A及其雜交組合平豐優(yōu)香占的抗性表現(xiàn)
目前發(fā)現(xiàn)的抗白葉枯病兼抗細(xì)條病基因?yàn)閤a5,另一個(gè)可能是Xa17[8]。國(guó)內(nèi)抗病基因xa5的主要來(lái)源為IRBB5。王禎等[23]利用與xa5基因緊密連鎖的分子標(biāo)記對(duì)103個(gè)雜交稻親本進(jìn)行檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)攜帶xa5基因的親本。史波[24]對(duì)79份主栽水稻品種進(jìn)行分析,也未發(fā)現(xiàn)攜帶xa5基因的水稻品種。秦鋼等[10]檢測(cè)9份兼抗白葉枯病和細(xì)條病的水稻材料,僅發(fā)現(xiàn)1份材料(L661)攜帶xa5基因。而L661的親本之一就是IRBB5,因此推測(cè)L661的xa5基因極可能來(lái)自IRBB5。夏志輝等[25]對(duì)9份普通野生稻材料進(jìn)行分析,未發(fā)現(xiàn)攜帶xa5基因的材料。李定琴等[26]對(duì)普通野生稻、藥用野生稻和疣粒野生稻進(jìn)行鑒定,也未發(fā)現(xiàn)攜帶xa5基因的野生稻。但隨著研究的深入,近兩年來(lái)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)除IRBB5外的一些xa5基因抗源,如楊雅云等[27]研究發(fā)現(xiàn)7個(gè)居群的云南藥用野生稻均含有xa5基因,宗凱等[28]在栽培稻和普通野生稻中檢測(cè)出xa5基因。本研究發(fā)現(xiàn),普通野生稻DP3和栽培稻廣恢998均攜帶xa5基因,但進(jìn)一步進(jìn)行抗性鑒定發(fā)現(xiàn)廣恢998不抗白葉枯病,說(shuō)明廣恢998不一定攜帶xa5基因,原因是本研究所用的分子標(biāo)記RM17743與xa5基因編碼區(qū)有約80 kb的物理距離,因此檢測(cè)結(jié)果不夠精確,導(dǎo)致廣恢998可能的假陽(yáng)性。為提高檢測(cè)結(jié)果的精確度,建議在以后的工作中開(kāi)發(fā)應(yīng)用簡(jiǎn)便功能型分子標(biāo)記。本研究獲得的攜帶xa5基因普通野生稻DP3有利于豐富該基因的遺傳基礎(chǔ)。
一般認(rèn)為xa5基因是隱性基因,具有廣譜抗性,對(duì)白葉枯病大部分生理小種和細(xì)條病均具有抗性[8-9,29]。xa5基因在常規(guī)稻品種抗性改良中已得到有效利用,如成太輝等[30]研究報(bào)道利用來(lái)自IRBB5的xa5基因已育成白香占、白粳占和白絲占等抗白葉枯病常規(guī)水稻品種。關(guān)于xa5基因的顯性和隱性問(wèn)題,Li等[13]研究認(rèn)為,xa5基因是部分顯性或具有加性效應(yīng),曾列先等[31]利用高抗白葉枯病的IRBB5(攜帶xa5基因)與高感白葉枯病(9級(jí))的五豐A、吉田A和金剛30雜交,所得相應(yīng)F1植株的抗性(7級(jí))均高于這3個(gè)高感白葉枯病親本,進(jìn)一步說(shuō)明xa5基因具有一定的加性效應(yīng)。xa5基因部分顯性或具有加性效應(yīng)暗示該基因在雜交水稻抗性育種改良中具有應(yīng)用潛力,如劉馳等[11]利用分子標(biāo)記輔助選擇培育出抗白葉枯病兼抗細(xì)條病的強(qiáng)恢復(fù)系桂恢663,本研究對(duì)包括野生稻在內(nèi)的102份水稻品種資源進(jìn)行篩選,利用優(yōu)良親本進(jìn)行雜交,再通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇,也選育出攜帶xa5基因的野栽型抗白葉枯病兼抗細(xì)條病強(qiáng)恢復(fù)系野香占。野香占與平豐A所配制的雜交組合平豐優(yōu)香占中抗白葉枯病和細(xì)條病,病斑長(zhǎng)度比感病親本平豐A明顯降低,而抗性水平比平豐A高1~2個(gè)級(jí)別,說(shuō)明xa5基因具有部分顯性效應(yīng),可有效應(yīng)用于雜交水稻的抗性改良育種。
遺傳基礎(chǔ)狹窄、品種間同質(zhì)化嚴(yán)重及突破性新品種稀缺是目前水稻育種面臨的重要問(wèn)題[12]。普通野生稻是亞洲栽培稻的祖先,保留其豐富的遺傳多樣性對(duì)充實(shí)水稻基因源庫(kù)、拓寬水稻遺傳基礎(chǔ)及進(jìn)行現(xiàn)代水稻遺傳育種改良均具有極其重要的意義。廣西是普通野生稻分布點(diǎn)最多的省(區(qū))之一,具有遺傳多樣性豐富的普通野生稻,利用廣西普通野生稻已培育出一些突破性的優(yōu)良品種,如桂99和測(cè)253[16-17]。本研究以攜帶xa5基因的普通野生稻DP3為親本,通過(guò)雜交和分子標(biāo)記輔助選擇,選育出含有四分之一普通野生稻血緣、兼抗白葉枯病和細(xì)條病的強(qiáng)恢復(fù)系野香占,野香占與感病不育系平豐A可組配出強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合平豐優(yōu)香占,該組合中抗白葉枯病和細(xì)條病,產(chǎn)量比豐田優(yōu)553增產(chǎn)4.96%,米質(zhì)達(dá)到部標(biāo)二級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn)。
xa5基因具有部分顯性效應(yīng),可用于雜交水稻育種改良;培育出含有野生稻血緣的野香占能組配出強(qiáng)優(yōu)勢(shì)水稻雜交組合,中抗白葉枯病和細(xì)條病,有助于豐富和拓寬水稻育種遺傳基礎(chǔ)。