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外引玉米自交系禾谷鐮孢莖腐病抗性鑒定及抗性遺傳初步分析

2020-03-08 06:22肖明綱張擘趙北平鄭福余王玉杰
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年21期

肖明綱 張擘 趙北平 鄭福余 王玉杰

摘要:從2015—2017年連續(xù)3年對(duì)43份來自美國、法國、俄羅斯和德國的玉米資源進(jìn)行抗禾谷鐮孢莖腐病人工接種鑒定,篩選到高抗玉米禾谷鐮孢莖腐病材料14份,占鑒定總材料的比例為32.6%。利用F2群體對(duì)14份高抗材料進(jìn)行禾谷鐮孢莖腐病抗性遺傳分析,抗病、感病植株分離比例和適合性測驗(yàn)證明,自交系A(chǔ)01、A04、A18、A24、A28、F02、F03、F05、R01和G03對(duì)禾谷鐮孢菌的抗性可能是由1對(duì)顯性基因控制的。該研究結(jié)果可為今后我國玉米禾谷鐮孢莖腐病抗性種質(zhì)的引進(jìn)及改良提供重要參考。

關(guān)鍵詞:玉米自交系;禾谷鐮孢莖腐病;抗性評(píng)價(jià);遺傳分析

中圖分類號(hào):S435.131?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A?文章編號(hào):1002-1302(2020)21-0123-05

玉米莖腐?。╯talk rot,簡稱SR)是一種危害較重的土傳病害,分布于世界各玉米種植區(qū),在我國各大玉米主產(chǎn)區(qū)均有不同程度的發(fā)生。一般年份,田間有10%~20%的病株率,嚴(yán)重時(shí)病株率可達(dá)60%~100%,顯著影響玉米產(chǎn)量[1-2]。玉米莖腐病致病菌組成復(fù)雜,受地理環(huán)境、氣候條件及土壤微生態(tài)等因素影響[3-4]。擬輪枝鐮孢(Fusarium verticillioides)、禾谷鐮孢(F. graminearum)、腫囊腐霉菌(Pythium inflatum)和玉蜀黍色二孢(Diplodia maydis)是美國玉米莖腐病的主要致病菌。腐霉菌[5-7]和鐮孢菌[8-10]是我國玉米莖腐病主要致病菌,而東北地區(qū)玉米莖腐病主要由鐮孢菌侵染引致。隨著秸稈還田技術(shù)推廣、免耕、連作等耕作栽培制度的變化以及玉米生長后期適宜的溫濕度條件,近幾年玉米莖腐病在我國各玉米主產(chǎn)區(qū)加重發(fā)生,已成為玉米減產(chǎn)的主要病害之一[11-16]。2016年,黑龍江前期高溫干旱,后期低溫多雨,導(dǎo)致玉米莖腐病嚴(yán)重發(fā)生,一些生產(chǎn)上主推品種產(chǎn)量減少21.11%~44.30%[17]。2016年以來,氣候條件異常、病原菌大量積累、感病品種及其相似品種大面積推廣種植等因素,造成玉米莖腐病連續(xù)重度發(fā)生,嚴(yán)重影響我國玉米產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[18]。

最近十幾年來,我國學(xué)者通過人工接種鑒定不同的玉米種質(zhì)資源,發(fā)現(xiàn)一些對(duì)腐霉莖腐病抗性良好的材料。宋燕春等采用人工接種方法評(píng)價(jià)了287份玉米自交系對(duì)腫囊腐霉的抗性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)了43份高抗自交系[19]。段燦星等2006—2009年對(duì) 836份玉米種質(zhì)進(jìn)行了抗腐霉莖腐病鑒定與評(píng)價(jià),篩選出高抗種質(zhì)81 份[20]。段燦星等對(duì)1 647份玉米種質(zhì)和227份玉米新品種進(jìn)行抗腫囊腐霉莖腐病鑒定,篩選出高抗莖腐病種質(zhì)564份;對(duì)227份玉米新品種鑒定結(jié)果表明,2009—2013年間中抗以上的育成品種所占比例先呈現(xiàn)明顯上升趨勢,后呈現(xiàn)下降趨勢[21]。楊洋等2013—2016年從1 213份玉米種質(zhì)資源中篩選到207份高抗腫囊腐霉莖腐材料,且研究表明,自交系中高抗種質(zhì)資源更為豐富[22]。同時(shí),國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鐮孢菌莖腐病抗性評(píng)價(jià)也做了一些有益工作,人工接種和自然發(fā)病相結(jié)合,多年多點(diǎn)重復(fù)鑒定。Afolabi等從50份玉米自交系中篩選到4份高抗鐮孢莖腐病且抗性穩(wěn)定的材料[23]。岳輝等2016—2017年通過人工接種鐮孢菌混合菌種的方法,對(duì)50份遼寧省生產(chǎn)上主推玉米品種的親本進(jìn)行抗莖腐病鑒定,篩選出沈3336、DH25等9份高抗玉米自交系[24]。施艷等對(duì)2015—2017年河南省456份區(qū)域試驗(yàn)玉米品種抗鐮孢菌鑒定,結(jié)果表明,玉米鐮孢莖腐病抗性種質(zhì)資源相對(duì)較多,抗病品種比率也呈逐年上升趨勢[25]。但秸稈還田的大力推廣致使土壤中病原菌的積累量持續(xù)增加、高密度品種的大面積推廣種植和氮肥的大量使用,原有品種資源面對(duì)巨大的病害壓力,因此,引進(jìn)、鑒定和利用新的抗病種質(zhì)資源具有重要意義[4]。

玉米對(duì)莖腐病的抗性存在質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀2種方式,針對(duì)不同致病菌,不同玉米材料具有不同抗性遺傳特征。曹如槐等首次證明,玉米對(duì)腫囊腐霉菌青枯病的遺傳方式因自交系而異,有的自交系具有數(shù)量性狀遺傳特點(diǎn),有的則具有質(zhì)量性狀遺傳特點(diǎn)[26]。楊典洱等對(duì)1145、Y331及其F2群體和BC1F1群體接種鑒定并統(tǒng)計(jì)F2群體抗感分離情況,認(rèn)為自交系1145對(duì)腫囊腐霉菌引起青枯病的抗性由顯性單基因控制[27-28]。宋鳳景利用 F2分離群體和F2:3家系研究了齊319和X178對(duì)腐霉菌莖腐病的抗性,發(fā)現(xiàn)齊319和X178對(duì)腐霉菌的抗性均受顯性基因控制[29]。而陳永欣的研究則表明,玉米對(duì)腐霉莖腐病的抗性呈數(shù)量性狀遺傳,且加性效應(yīng)強(qiáng)于顯性效應(yīng)[30]。玉米對(duì)禾谷鐮孢菌莖腐病的抗性遺傳也存在質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀2種方式[31-35]。

有效控制玉米病害、減少產(chǎn)量損失的主要途徑是培育和種植抗病品種,而優(yōu)異抗性資源的發(fā)掘則是進(jìn)行玉米抗病育種的材料基礎(chǔ)。目前,玉米莖腐病在我國各玉米區(qū)發(fā)生越來越普遍,危害也逐年加重,針對(duì)這種情況,本研究利用人工接種方法,對(duì)43份引自美國、德國、法國和俄羅斯的玉米種質(zhì)資源進(jìn)行抗禾谷鐮孢菌鑒定和評(píng)價(jià),為我國玉米抗禾谷鐮孢莖腐病育種提供抗性材料;利用 F2 群體對(duì)高抗禾谷鐮孢莖腐病材料進(jìn)行初步的抗性遺傳分析,為進(jìn)一步定位和利用其抗性基因奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試自交系

43份外引玉米自交系中美國30份、法國6份、俄羅斯4份、德國3份;自交系齊319(HR)和掖478(HS)為抗感對(duì)照[36]。

1.2 供試病原菌

禾谷鐮孢(Fusarium graminearum)分離自黑龍江省發(fā)病玉米植株。

1.3 抗病鑒定圃設(shè)置

玉米抗禾谷鐮孢莖腐病鑒定圃設(shè)在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所民主試驗(yàn)基地。鑒定材料順序排列,雙行種植,行長5 m,行距0.65 m,每行留25~30株,株距略小于大田生產(chǎn),田間正常管理。2016年和2017年對(duì)2015年鑒定得到的抗病材料進(jìn)行重復(fù)鑒定,以探究其真實(shí)抗性。

1.4 人工接種及抗性評(píng)價(jià)

1.4.1 玉米禾谷鐮孢莖腐病人工接種方法 將禾谷鐮孢菌菌種接種于經(jīng)高壓滅菌的玉米粒上,25 ℃條件下黑暗培養(yǎng)5~7 d,至菌絲布滿玉米粒。待玉米10葉期時(shí),扒開玉米根系一側(cè)土壤,將病原菌培養(yǎng)物20~30 g接種在露出的根系處,然后覆土并進(jìn)行田間澆灌,保證病原菌侵染所需要的土壤濕度條件。乳熟后期進(jìn)行抗性調(diào)查[36]。

1.4.2 玉米禾谷鐮孢莖腐病抗性評(píng)價(jià) 每份材料逐株調(diào)查,調(diào)查重點(diǎn)部位為莖基部節(jié)位,莖節(jié)明顯變褐或用手指捏近地表莖節(jié)感到變軟的植株,即為發(fā)病植株。分別記載調(diào)查總株數(shù)、發(fā)病株數(shù),計(jì)算和記載發(fā)病株率。發(fā)病株率0~5.0%為1級(jí)(HR),發(fā)病株率5.1%~10.0%為3級(jí)(R),發(fā)病株率10.1%~30.0%為5級(jí)(MR),發(fā)病株率30.1%~40.0%為7級(jí)(S),發(fā)病株率40.1%~100%為9級(jí)(HS)[36]。

1.5 高抗禾谷鐮孢莖腐病材料抗性遺傳初步分析

用14份高抗外引材料分別與感病自交系掖478雜交,產(chǎn)生F2分離群體,在玉米10葉期時(shí)人工接種相應(yīng)的F2 群體和感病對(duì)照掖478,乳熟后期調(diào)查每個(gè)F2單株發(fā)病狀況[36]。計(jì)算各群體抗、感個(gè)體的分離比例,用SAS 8.2軟件(SAS Institute,Raleigh,NC,USA)計(jì)算分離比例的χ2值和概率值,進(jìn)行分離比例的適合性測驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 引進(jìn)材料對(duì)禾谷鐮孢莖腐病抗性評(píng)價(jià)

2015年利用根埋法對(duì)43份玉米資源進(jìn)行抗禾谷鐮孢莖腐病人工接種鑒定,抗病鑒定對(duì)照齊319發(fā)病株率為3.3%,掖478發(fā)病株率為86.7%,抗感對(duì)照抗病性差異顯著,能夠有效區(qū)分待鑒定材料的真實(shí)抗性,表明人工接種鑒定結(jié)果有效。2015年,在43份鑒定材料中,共篩選出24份高抗種質(zhì),占鑒定材料總數(shù)的55.8%;抗性材料5份,分別為自交系A(chǔ)05、A07、A16、F04和R04,占鑒定材料總數(shù)的11.6%;中抗材料6份,分別為自交系A(chǔ)03、A12、A21、A27、F01和R02,占鑒定材料總數(shù)的14.0%;抗病種質(zhì)占比為81.4%。篩選出感病材料8份,占鑒定材料的18.6%,其中A06和A15對(duì)禾谷鐮孢莖腐病表現(xiàn)為感病,A10、A13、A17、A22、A26和A29共6份材料高感禾谷鐮孢莖腐病,而A10的發(fā)病株率達(dá)到了100%,A17(52.9%)、A26(65.0%)和A29(63.6%)的發(fā)病株率均超過了50%(圖1)。

從上述鑒定結(jié)果可以看出,引進(jìn)的43份國外資源,在禾谷鐮孢莖腐病抗性方面具有廣泛變異,高抗材料發(fā)病率為0,而高感材料發(fā)病率則達(dá)100%,其中的抗性材料對(duì)豐富我國玉米抗禾谷鐮孢莖腐病種質(zhì)資源、拓寬其遺傳基礎(chǔ)具有重要利用價(jià)值。

2.2 外引材料抗玉米禾谷鐮孢莖腐病重復(fù)鑒定

2016年和2017年對(duì)24份高抗禾谷鐮孢莖腐病材料又進(jìn)行了連續(xù)2年的重復(fù)鑒定,感病對(duì)照掖478發(fā)病株率分別為90%和88.1%,抗病對(duì)照齊319發(fā)病株率分別為3.3%和1.7%,抗感對(duì)照充分發(fā)病,人工接種鑒定有效。結(jié)果發(fā)現(xiàn),A01、A02、A04、A09、A18、A24、A28、A30、F02、F03、F05、R01、R03和G03共14份材料年際間禾谷鐮孢莖腐病抗性表現(xiàn)穩(wěn)定,反映了其真實(shí)抗病性,具體鑒定結(jié)果如表1所示。這些材料可作為重要的抗莖腐病資源,用于改善我國玉米抗禾谷鐮孢莖腐病種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)狹窄的現(xiàn)狀。

2.3 高抗禾谷鐮孢莖腐病材料抗性遺傳初步分析

14份供試自交系對(duì)禾谷鐮孢菌的反應(yīng)型均表現(xiàn)為高抗,而感病親本掖478則為高感。根據(jù)各供試材料與掖478配制的雜種 F2 植株對(duì)禾谷鐮孢菌的反應(yīng)型,掖478/A01、掖478/A04、掖478/A18、掖478/A24、掖478/A28、掖478/F02、掖478/F03、掖478/F05、掖478/R01、掖478/G03這些 F2 群體抗病、感病植株比例都符合3 ∶ 1的分離比,而掖478/A02、掖478/A09、掖478/A30、掖478/R03的F2群體抗病、感病植株比例不符合3 ∶ 1的分離比(表2),說明A01、A04、A18、A24、A28、F02、F03、F05、R01和G03對(duì)禾谷鐮孢菌的抗性可能受1對(duì)顯性單基因或少數(shù)主效基因控制。

3 討論與結(jié)論

玉米青枯病人工接種方法主要有4種,即牙簽法[37]、注射法[38]、打孔法[39]和根埋法[39-40],根埋法符合玉米莖腐病發(fā)生發(fā)展規(guī)律,鑒定結(jié)果較為準(zhǔn)確和客觀,能反映待鑒定材料的真實(shí)抗性水平[41]。但玉米莖腐病屬于系統(tǒng)侵染性病害,前期侵染,后期顯癥,發(fā)病易受到環(huán)境條件的影響,因此該病害的人工接種鑒定應(yīng)多年重復(fù)鑒定才能得到材料的真實(shí)抗性。

連續(xù)3年人工接種鑒定,篩選到A01、A02、A04、A09、A18、A24、A28、A30、F02、F03、F05、R01、R03和G03共14份高抗禾谷鐮孢莖腐病材料,這些材料年際間抗性表現(xiàn)穩(wěn)定。自交系A(chǔ)04株型清秀,其最大特點(diǎn)是后期脫水快,適宜直收,且年際間抗性穩(wěn)定,3年平均病株率3.4%;F02和F05軸細(xì)粒深,其最大特點(diǎn)是株高矮,穗位較低,抗倒伏能力強(qiáng),3年平均病株率分別為3%和3.9%;R01的3年平均發(fā)病株率為2.3%,抗低溫能力較強(qiáng)。以病情級(jí)別為唯一標(biāo)準(zhǔn),對(duì)A04、F02、F05和R01進(jìn)行抗性遺傳分析,結(jié)果表明,A04、F02、F05和R01對(duì)禾谷鐮孢莖腐病的抗性受1對(duì)顯性單基因控制(表2)。對(duì)A04、F02、F05和R01進(jìn)行抗大斑病鑒定和抗性遺傳分析表明,A04、F02、F05和R01高抗大斑病且抗性也受1對(duì)顯性單基因控制[43]。A24具有配合力高、耐密植等優(yōu)點(diǎn),3年平均發(fā)病株率為1.7%,抗性穩(wěn)定,對(duì)禾谷鐮孢菌的抗性受1對(duì)顯性基因控制,同時(shí)兼抗大斑病[42]。G03屬于硬粒型材料,稈韌性好,抗倒性極強(qiáng),3年人工接種鑒定平均發(fā)病株率為0,抗性非常穩(wěn)定。人工接種鑒定,F(xiàn)2群體抗感分離比為3 ∶ 1,其對(duì)禾谷鐮孢菌的抗性受1對(duì)顯性單基因控制。G03可作為抗病抗倒的基礎(chǔ)材料。掖478/A01、掖478/A18、掖478/A28和掖478/F03 F2群體抗、感植株比例均符合3 ∶ 1的分離比,A01、A18、A28和F03對(duì)禾谷鐮孢菌的抗性均受1對(duì)顯性單基因控制控制。對(duì)A01、A04、A18、A24、A28、F02、F03、F05、R01和G03攜帶的抗病基因精細(xì)定位,開發(fā)與抗病基因緊密連鎖的分子標(biāo)記,利用輔助選擇及回交轉(zhuǎn)育等手段,提高我國當(dāng)前玉米生產(chǎn)上常用種質(zhì)抗病性的同時(shí),也可改善目標(biāo)材料的抗倒性、脫水性、耐冷性,對(duì)于培育高產(chǎn)廣適品種和資源創(chuàng)制具有重要指導(dǎo)意義。

A02、A09和A30葉片上沖,株型緊湊,具有耐密植、配合力高等優(yōu)點(diǎn),高抗禾谷鐮孢莖腐病且抗性穩(wěn)定,2015—2017年際間發(fā)病株率分別為0、1.8%、1.7%,4.5%、3.4%、5.0%和0、5.0%、3.3%;R03是極早熟材料,高抗禾谷鐮孢莖腐病且抗性穩(wěn)定,2015—2017年際間發(fā)病株率分別為4.2%、3.4%和3.3%(表1)。以病情級(jí)別為指標(biāo),掖478/A02、掖478/A09、掖478/A30和掖478/R03的F2群體抗病、感病植株比例既不完全符合3 ∶ 1的分離比,也不符合15 ∶ 1的分離比例(表2)。如果綜合考慮病情級(jí)別、莖基部顏色變褐深度、莖基部軟化程度,A02、A09、A30和R03對(duì)玉米禾谷鐮孢莖腐病的抗性很有可能受數(shù)量性狀控制,其抗性遺傳規(guī)律有待做進(jìn)一步的深入研究,以期發(fā)掘具有持久抗性且耐密、早熟的玉米優(yōu)異資源。

連續(xù)3年通過人工接種對(duì)43份外引玉米資源進(jìn)行禾谷鐮孢莖腐病抗性鑒定,篩選到抗玉米莖腐病自交系35份。利用F2群體對(duì)14份高抗禾谷鐮孢莖腐病材料進(jìn)行抗性遺傳初步分析,結(jié)果表明,自交系A(chǔ)01、A04、A18、A24、A28、F02、F03、F05、R01和G03對(duì)禾谷鐮孢莖腐病的抗性受1對(duì)顯性基因控制,對(duì)這些材料攜帶的抗病基因做進(jìn)一步的精細(xì)定位、克隆和功能驗(yàn)證,將對(duì)我國玉米抗禾谷鐮孢莖腐病資源創(chuàng)制及抗病品種培育具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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