呂國鋒 別同德 王 慧 趙仁慧 范金平 張伯橋 吳素蘭王 玲 汪尊杰 高德榮

江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室, 江蘇揚州 225007

長江中下游麥區(qū)小麥生長后期多雨潮濕, 是小麥赤霉病和白粉病的重發(fā)區(qū), 近年來黃花葉病有蔓延趨勢。小麥赤霉病 (Fusariumhead blight, FHB)是一種世界性真菌病害, 病原為禾谷鐮刀菌, 主要侵染小麥穗部, 嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。培育抗赤霉病品種是本麥區(qū)抗病育種的首要目標(biāo)。小麥赤霉病是多基因控制的復(fù)雜性狀, 目前已命名的小麥抗赤霉病基因有7個[2], 其中以Fhb1效應(yīng)最大, 抗性最穩(wěn)定, 在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[3-5]。Zhu等[6]利用全基因組關(guān)聯(lián)分析對240個中國小麥品種(系)赤霉病抗性的遺傳研究表明, 在1AS、2DL、5AS、5AL和7DS共關(guān)聯(lián)到5個QTL, 以2DL上的QTL效應(yīng)最大, 其主要存在于長江中下游麥區(qū)江蘇省和湖北省的品種中, 而Fhb1在中國小麥品種中總體頻率很低。長江下游的蘇麥3號和寧麥9號是中國小麥品種Fhb1的主要供體, 并以后者為主[7]。揚麥系列和寧麥系列品種是長江下游小麥生產(chǎn)的主體品種, 多數(shù)品種的赤霉病為中抗。寧麥系列品種中的寧麥9號衍生品種多含F(xiàn)hb1[8], 揚麥系列品種(系)中含F(xiàn)hb1的品種(系)均為寧麥9號衍生品種, 而揚麥158衍生品種大多不含F(xiàn)hb1, 其赤霉病抗性由非Fhb1的抗性控制[9]。對揚麥158及其衍生品種揚麥16的遺傳研究表明, 兩品種的赤霉病抗性都由Fhb1外的多個QTL控制, 其中位于2DL上的QTL是兩品種所共有[10-11]。2DL上的QTL不僅是Wuhan-1[12]、VA00W-38[13]、Shanghai-3/Catbird[14]、Soru#1[15]、Kenyon[16]和C615[17]等不含F(xiàn)hb1品種的主要抗赤霉病位點之一, 也是蘇麥3號衍生品種DH181[18]和CJ9306[19]的主效抗性位點。

小麥白粉病是由禾布氏白粉病菌(Blumeria graminisf. sp.tritici)引起的真菌性病害, 是我國長江中下游麥區(qū)僅次于赤霉病的第二大病害。小麥-黑麥易位系1B/1R所攜帶的Pm8是我國20世紀(jì)70—80年代中期應(yīng)用最廣泛的抗白粉病基因,其抗性已在全國各地喪失[20], 該基因在長江下游麥區(qū)應(yīng)用較少。本世紀(jì)初長江中下游麥區(qū)利用Pm4a和Pm2相繼育成揚麥10號(含Pm4a)、揚麥11 (含Pm4a)、揚麥12 (含Pm2)、揚麥13 (含Pm2)等抗白粉病品種[21], 并在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用, 近年來這些品種在本麥區(qū)出現(xiàn)抗性喪失的現(xiàn)象。小麥-簇毛麥易位系6AL/6VS所含的Pm21是目前抗譜最廣、抗性最強的抗白粉病基因[22-23], 長江中下游麥區(qū)利用該基因育成了揚麥18、揚麥21、鎮(zhèn)麥9號等多個抗白粉病品種[24]。

小麥黃花葉病是由禾谷多黏菌(Polymyxa graminis)為小麥黃花葉病毒(Wheat yellow mosaic virus, WYMV)傳播介體的春季病害, 在我國長江流域和黃淮麥區(qū)都有發(fā)生[25]。小麥發(fā)病后一般產(chǎn)量損失10%~30%[26]。小麥黃花葉病是土傳性病害, 常規(guī)藥劑防治方法難以控制。由于長江中下游麥區(qū)推廣品種中抗病品種較少, 該病害呈逐漸蔓延態(tài)勢。對揚輻9311[27]、Ibis[28]、Yumechikara[29]、儀寧小麥[30]等抗源的遺傳研究表明, 這些材料的主效黃花葉病抗病QTL均定位于2DL染色體上。在5AL上還定位到來自小麥品種西風(fēng)的抗黃花葉病主效QTLQYm.nau-5A.1[31]。Zhu等[31]對34個抗黃花葉病品種的檢測表明, 10個品種只含有QYm.nau-5A.1, 17個品種只含有QYm.nau-2D, 2個品種同時含有上述2個QTL, 品種的抗性QTL組成存在分化。長江下游麥區(qū)利用西風(fēng)育成了抗黃花葉病品種寧麥9號和蘇麥5號[32], 利用揚輻9311育成了抗黃花葉病品種揚輻麥5號[33]。

近年來隨著小麥播期的推遲, 小麥赤霉病的流行頻率和為害程度增加, 同時小麥白粉病和黃花葉病的發(fā)病面積擴大, 需要進一步提高生產(chǎn)推廣品種對上述病害的抗性, 保證小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。目前小麥抗病育種還主要依賴表型選擇, 選擇效率受環(huán)境影響大, 易在選擇過程中發(fā)生抗病基因丟失的現(xiàn)象。小麥抗赤霉病、白粉病和黃花葉病基因/QTL發(fā)掘和緊密連鎖標(biāo)記開發(fā), 為抗病分子育種提供材料和方法。揚麥158和寧麥9號及其衍生品種是長江下游麥區(qū)的主要應(yīng)用品種, 親緣系數(shù)分析表明兩類品種間存在一定的遺傳差異[34], 但對其主要病害抗病基因/QTL的組成和分布還缺少了解, 限制了抗病基因在育種中應(yīng)用。本研究對長江下游麥區(qū)當(dāng)前推廣品種、新育成品種(系)的小麥赤霉病、白粉病和黃花葉病進行鑒定, 同時利用相關(guān)抗病基因/QTL緊密連鎖標(biāo)記對其所含的抗病基因/QTL進行分子鑒定,追溯抗病基因來源、組成及分布頻率, 以期為本麥區(qū)抗病分子育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗品種共49個, 包括長江下游麥區(qū)當(dāng)前推廣品種、2000年后新育成品種和區(qū)試中表現(xiàn)突出的品系以及揚麥5號、揚麥158和寧麥9號3個長江下游麥區(qū)當(dāng)前育成品種的骨干親本(附表1)。以蘇麥3號為含小麥抗赤霉病基因Fhb1和QFhs.crc-2D的對照品種, 鎮(zhèn)麥9號為含抗白粉病基因Pm21的對照品種, 以西風(fēng)和蘇麥6號分別為含小麥黃花葉病主效抗性QTLQYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D的對照品種。

1.2 試驗品種(系)的抗病性鑒定

1.2.1 小麥白粉病 2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬福試驗基地(江蘇揚州)進行成株期抗病性鑒定。每品種2行, 行長1.4 m, 行距0.23 m,每行50粒, 每50行種植1組抗、感病對照品種鎮(zhèn)麥9號和揚麥15。當(dāng)揚麥15充分發(fā)病時, 調(diào)查試驗品種的病害發(fā)生情況?？剐缘燃壈词殮J[35]的0~4級分類方法記錄, 0級為免疫(IM), 植株無病斑; 1級為高抗(HR), 病斑直徑小l mm, 菌絲層稀薄, 可見綠色葉面, 偶見較大病斑, 但仍透綠, 產(chǎn)孢量極少;2級為中抗(MR), 葉片病斑直徑小于l mm, 但菌絲層較厚, 不透綠, 能產(chǎn)生一定量孢子; 3級為中感(MS), 葉片病斑多, 且直徑大于l mm, 菌絲層厚,產(chǎn)孢量大, 但病斑不連片; 4級為高感(HS), 葉片病斑直徑大于l mm, 菌絲層厚, 產(chǎn)孢量多, 病斑連片。

1.2.2 小麥赤霉病 2017年和2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬福試驗基地采用單花滴注進行赤霉病抗性鑒定。于小麥開花初期, 用注射器吸取10 μL孢子液注入麥穗自頂部小穗開始自上而下第6個小穗的任意一個小花中, 每個品種接種20個單穗, 并用彌霧裝置定時噴水保濕, 接種后21 d調(diào)查赤霉病發(fā)生數(shù)據(jù), 計算平均病小穗數(shù)及嚴(yán)重度?？剐缘燃壈春撵o等[36]的4級分類方法記錄。

1.2.3 小麥黃花葉病 2017年和2018年在江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬福試驗基地小麥黃花葉病圃中鑒定。每品種2行, 行長1.4 m, 行距0.23 m,每行50粒, 每50行種植1組抗、感病對照品種寧麥9號和揚麥15。于春季2月下旬發(fā)病盛期進行發(fā)病程度調(diào)查, 采用0~4級的方法記錄。0級: 無病癥; 1級: 部分葉片輕度黃化, 無明顯條紋壞死斑和黃化現(xiàn)象; 2級: 花葉和條紋斑明顯, 部分葉片黃化, 少數(shù)枯死, 植株輕度矮縮; 3級: 心葉嚴(yán)重花葉, 或是扭曲或是縮頂狀, 全部黃化矮縮, 部分葉片和分蘗和整株枯死。0級為抗病類型, 1、2、3級為感病類型。

1.3 抗病基因的分子標(biāo)記檢測

采用CTAB法提取小麥基因組DNA。利用與小麥抗赤霉病、白粉病和黃花葉病基因/QTL緊密連鎖標(biāo)記對試驗品種進行擴增(表1)。采用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳及銀染技術(shù)檢測PCR擴增產(chǎn)物。品種(系)具有與對照品種一致的抗性擴增條帶, 記為“+”, 反之記為“–”。

表1 試驗品種抗病基因/QTL分型所用的標(biāo)記Table 1 Markers closely linked with the disease resistance genes/QTLs for genotyping in the tested varieties

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗品種抗赤霉病抗性及抗病QTL組成

試驗品種的抗性存在較大差異。僅有揚16-157為抗(R); 23個品種為中抗(MR), 占46.9%; 21個品種為中感(MS), 占42.9%; 4個品種為感(S)。

利用Fhb1診斷標(biāo)記His3B-4對試驗品種進行擴增顯示, 15個品種擴增出與對照品種蘇麥3號相同的抗性條帶(圖1), 表明這些品種均含有抗赤霉病基因Fhb1, 占試驗品種的30.6%, 這其中12個為寧麥9號及其衍生品種(圖2), 推測這些品種的Fhb1來自寧麥9號。此外, 揚14-122、金豐0515和國紅9號系譜上與寧麥9號無親緣關(guān)系, 但也檢測到含有Fhb1。15個含有Fhb1的品種(系)中揚16-157的抗性與抗赤霉病對照品種蘇麥3號相當(dāng), 也超過其雙親的抗性水平, 10個品種為MR, 4個品種為MS, 無感病品種。

國紅6號(揚麥11/揚麥18)、揚麥30 (揚09紋1009/揚麥18)、揚13-32 (揚麥9號/揚麥18)、揚輻麥6號(揚輻麥4號/揚麥14M1)和揚輻麥10號(揚輻麥4號/揚麥19F1輻照)等寧麥9號衍生品種未能檢測出Fhb1抗性條帶, 表明這些品種不含F(xiàn)hb1, 占寧麥9號衍生品種的31.2%, 這些品種的赤霉病抗性為MS~MR。

利用gwm539對試驗品種進行擴增, 結(jié)果顯示有36個品種擴增出QFhs.crc-2D抗性條帶(圖1), 占試驗品種的73.5%, 這其中32個為揚麥158或揚麥5號衍生品種, 寧麥9號衍生品種寧麥13、揚麥18和揚輻麥4號也含有QFhs.crc-2D(圖2)。揚麥158和寧麥8號分別是揚麥18和揚輻麥4號的親本之一, 寧麥8號(揚麥5號/揚麥6號)為揚麥5號衍生品種, 這2個品種的QFhs.crc-2D來自于分別揚麥158和揚麥5號。此外寧麥13、襄麥25、鄂麥170與揚麥158和揚麥5號無親緣關(guān)系, 但也含有QFhs.crc-2D。含QFhs.crc-2D的品種 (系)中無抗赤霉病品種, 15個品種為MR, 17個品種為MS, 4個品種為S。

試驗品種中還有寧麥13、揚麥18和金豐0515同時含有Fhb1和QFhs.crc-2D,這3個品種為中抗赤霉病。

2.2 試驗品種的小麥白粉病抗性及Pm21組成

試驗品種中有16個品種表現(xiàn)為白粉病免疫(IM)或抗(R), 占32.6%, 揚麥11、揚麥19和揚麥20共3個品種表現(xiàn)中感(MS), 其余品種都為高感白粉病(HS)。

以Pm21的功能標(biāo)記MBH1對試驗品種擴增, 14個品種能擴增出Pm21的特異片段(圖3), 表明這些品種含有Pm21, 占試驗品種的28.6%, 這其中5個為揚麥18及其衍生品種, 6個為鎮(zhèn)麥9號及其衍生品種(圖4), 推測這些品種的Pm21來自鎮(zhèn)麥9號和揚麥18。鎮(zhèn)麥9號(系譜為蘇麥6號/揚97G59)的親本之一蘇麥6號不含Pm21, 揚麥18 (系譜為寧麥9號4/3/揚麥1586//揚88-128/南農(nóng)P045)的2個輪回親本揚麥158和寧麥9號均不含Pm21, 另一親本揚88-128為感白粉病品種, 因此鎮(zhèn)麥9號和揚麥18的Pm21應(yīng)分別來自于揚97G59和南農(nóng)P045。此外安農(nóng)1124 (系譜為02P67/安農(nóng)95081-8), 其雙親02P67 (系譜為92R91/揚麥158//揚麥158)和安農(nóng)95081-8 (系譜為豫麥18/揚麥158)的親本豫麥18和揚麥158都為感白粉病品種, 因此安農(nóng)1124的Pm21應(yīng)來自92R91。揚14-214 (系譜為揚麥162/92R137)和揚麥22 (系譜為揚麥9號3/97033-2)的輪回親本分別為揚麥16和揚麥9號, 這2個品種都不抗白粉病, 其抗病基因應(yīng)分別來自92R137和97033-2。此外金豐0515和襄麥25白粉病為抗(R), 分子檢測不含Pm21, 其白粉病抗性有待進一步研究。揚麥11、揚麥19和揚麥20其白粉病抗性僅達中感(MS), 表明其所含抗白粉病基因Pm4a在本麥區(qū)已失去抗性。試驗品種中鎮(zhèn)麥168和國紅6號雖然其親本含有白粉病抗源揚97G59和揚麥18, 但表現(xiàn)為高感白粉病, 分子檢測也不含有Pm21。

2.3 小麥抗黃花葉病抗性及QTL組成

試驗品種中有23個品種抗小麥黃花葉病, 占46.9%, 感病品種的感病程度也存在一定差異, 寧麥13和蘇麥899雖然表現(xiàn)感病, 但感病等級為1級, 而揚麥158、揚麥16等品種的感病等級為3級。

用wmc415對試驗品種擴增, 12個品種能擴增出與對照西風(fēng)相同的抗病條帶(圖5), 表明這些品種含QYm.nau-5A.1, 均表現(xiàn)為抗小麥黃花葉病, 占試驗品種的24.5%, 這其中10個為寧麥9號及其衍生品種(圖6), 占含QYm.nau-5A.1品種的83.3%。此外安農(nóng)1124和國紅9號分子檢測也含QYm.nau-5A.1,但其系譜上與寧麥9號無親緣關(guān)系, 可能是QYm.nau-5A.1新來源。此外試驗品種中還有9個寧麥9號衍生品種標(biāo)記檢測不含QYm.nau-5A.1, 占寧麥9號衍生品種的47.4%, 這些品種也不抗小麥黃花葉病。

用wmc41對試驗品種擴增, 12個品種能擴增出對照蘇麥6號相同的抗病條帶(圖5), 占試驗品種的24.5%, 除明麥133外, 其余11個分子檢測陽性品種都表現(xiàn)為抗病, 表明這些品種含QYm.nau-2D, 這其中8個為蘇麥6號及其衍生品種(圖6), 占含QYm.nau-2D品種的72.7%。揚麥23 (揚麥16/揚輻9311)的親本之一揚麥16為感病品種, 因此其所含的QYm.nau-2D應(yīng)來自揚輻9311。揚輻麥10和國紅6號所含的QYm.nau-2D還需研究。試驗品種還有揚14-122和金豐0515等蘇麥6號衍生品種標(biāo)記檢測不含QYm.nau-2D, 占蘇麥6號衍生品種的21.4%, 這些品種均為感病(S)。試驗品種含QYm.nau-5A.1的多數(shù)為寧麥9號及其衍生品種, 含QYm.nau-2D的多數(shù)為蘇麥6號及其衍生品種, 只有揚14-179同時含有2個QTL, 其余品種只含有其中一個QTL, 表明試驗品種在小麥黃花葉病抗性QTL組成上存在分化。

3 討論

Pm4a、Pm2和Pm21是長江下游麥區(qū)應(yīng)用最多的抗白粉病基因, 試驗品種中揚麥11 (Pm4a)、揚麥19 (Pm4a)和揚麥20 (Pm4a)的白粉病抗性為中感(MS), 揚麥13 (含Pm2)為高感白粉病, 表明這2個基因在本麥區(qū)已失去抗性, 這與Bie等[24]結(jié)果一致。長江下游麥區(qū)當(dāng)前主栽品種揚麥16、寧麥13、揚輻麥4號、揚麥23均不含上述任何抗白粉病基因, 田間表現(xiàn)為感白粉病。近年來, 長江下游麥區(qū)育成揚麥18、揚麥22、鎮(zhèn)麥9號和鎮(zhèn)麥10號等一些含有Pm21的抗白粉病品種, 這些品種的應(yīng)用面積不大,小麥生產(chǎn)的主導(dǎo)品種仍是揚麥16等本世紀(jì)初育成的品種, 未能改變當(dāng)前小麥生產(chǎn)應(yīng)用品種白粉病抗性整體偏弱的局面。新育成品系中含Pm21的品系比例明顯上升, 其基因供體主要為揚麥18和鎮(zhèn)麥9號。與Pm21的原始供體92R系列、P045等材料相比, 揚麥18和鎮(zhèn)麥9號的綜合農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量水平得到大幅提升, 因此以其為親本育成品種的能力顯著上升, 使得Pm21在新品系中快速擴散。本研究中含Pm21的新品系多數(shù)為江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成, 由于其選種環(huán)境白粉病自然選擇壓大,使得Pm21在后代選擇中容易保留。因此, 在白粉病發(fā)生充分的環(huán)境下, 通過表型選擇可以實現(xiàn)對抗病基因的選擇。

揚麥18和鎮(zhèn)麥9號的Pm21都來自于小麥-簇毛麥6AL/6VS易位系[24], 安農(nóng)1124和揚14-214所含Pm21分別來自于92R91和92R137, 這2個材料也是含Pm21的小麥-簇毛麥6AL/6VS易位系[22], 揚麥22的抗白粉病基因來自小麥-簇毛麥T6DL/6VS易位系PmV[24]。江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所近期研究表明,Pm21和PmV高度同源, 均為具有CCNBS-LRR結(jié)構(gòu)域的典型RGA類基因。當(dāng)前長江下游麥區(qū)抗病品種的抗白粉病基因單一, 存在著Pm21加速抗性喪失的潛在風(fēng)險。同時,Pm21供體品種揚麥18和鎮(zhèn)麥9號在育種中高頻率使用, 也使新品種(系)的遺傳多樣性過于狹窄, 未來品種的綜合農(nóng)藝性狀難以突破。因此, 亟需引入新的白粉病后備抗源(或基因)。此外本研究中金豐0515和襄麥25在揚州表現(xiàn)抗白粉病, 具有較好的農(nóng)藝性狀, 是Pm21外新的抗白粉病材料, 要加強其所含白粉病基因研究和利用。近20年來, 大批新的Pm基因相繼發(fā)現(xiàn)[37],加快這些基因的利用, 可有效解決抗白粉病基因單一化的局面, 同時對延長抗病品種和Pm21的利用周期有重要意義。

本研究結(jié)果表明, 試驗品種中QYm.nau-5A.1和QYm.nau-2D的載體品種可清晰的分成寧麥9號和蘇麥6號衍生品種兩類, 小麥抗黃花葉病品種的抗病QTL組成的分化現(xiàn)象也存在其他研究結(jié)果中[30-31]。本研究試驗品種的QYm.nau-5A.1多來自于寧麥9號(揚麥6號/西風(fēng)),QYm.nau-5A.1是西風(fēng)的抗小麥黃花葉病主效QTL[31], 因此寧麥9號及其衍生品種的QYm.nau-5A.1應(yīng)都來自于西風(fēng)。試驗品種中QYm.nau-2D多來自蘇麥6號(6698白/揚麥5號), 揚麥5號為感病品種, 分子檢測也不含QYm.nau-2D,蘇麥6號的抗性應(yīng)來自于另一親本6698白(安徽11/毛穎阿夫//豐產(chǎn)3號///大豐1087)。蘇麥6號與已報道的含位于2D上的抗病QTL中國抗源揚輻9311(揚麥3號/高加索)、儀寧小麥(江都1號/ST1472/506γ輻射)、鄭麥9023 ({(小偃6號×西農(nóng)65)×[83(2)3-3×84(14)43]}F3×陜213)無系譜關(guān)系, 說明小麥2D上的小麥抗黃花葉病主效QTL廣泛存在于我國不同麥區(qū)的抗病品種中。本研究中有47.4%的寧麥9號衍生品種不含QYm.nau-5A.1, 21.4%的蘇麥6號衍生品種不含QYm.nau-2D, 表明這些品種的抗病基因在選擇過程中丟失。本研究所用的2個小麥抗黃花葉病QTL效應(yīng)較大, 單個QTL足以應(yīng)對黃花葉病為害,因此標(biāo)記輔助選擇(MAS)的效率較高。在育種早代可優(yōu)先農(nóng)藝性狀選擇, 待主要農(nóng)藝性狀基本穩(wěn)定后,輔之抗病基因的標(biāo)記選擇, 這樣不僅可解決抗性基因丟失的問題, 還可較好解決抗病性和農(nóng)藝性狀結(jié)合的問題, 提高抗病品種的育成效率。

揚麥和寧麥系列品種是我國長江中下游麥區(qū)生產(chǎn)應(yīng)用的主要中抗赤霉病品種, 系譜上與我國抗赤霉病品種蘇麥3號無親緣關(guān)系。寧麥9號及其衍生品種是中國小麥品種Fhb1的主要載體品種[7], 本研究中含F(xiàn)hb1品種也多為寧麥9號及其衍生品種。對揚麥158和揚麥16的赤霉病抗性遺傳研究表明, 兩品種的抗性遺傳機制與蘇麥3號不同, 揚麥158的赤霉病抗性主要由2DL、2DS、3AL和7AS 上的QTL提供[10], 而揚麥16的抗性QTL位于2DL、3BL、4DS、5BL和6AS上[11], 2DL上的抗赤霉病QTL是2品種所共有的。本研究中多數(shù)揚麥158或揚麥5號衍生品種不含F(xiàn)hb1, 但含此抗病QTL。2D上的抗赤霉病QTL也是Wuhan-1[12]、VA00W-38[13]、Shanghai-3/Catbird[14]、Soru#1[15]、Kenyon[16]、C615[17]和揚麥13[38]等不含F(xiàn)hb1材料赤霉病抗性的主要來源之一, 這都表明此QTL是除Fhb1外的另一個廣泛存在于小麥品種中的重要赤霉病抗性位點。

赤霉病抗性和豐產(chǎn)性結(jié)合一直是小麥抗赤霉病育種的難題[39]。揚麥158和寧麥9號及其衍生品種一直是長江下游麥區(qū)的主栽品種, 本研究表明兩類品種在抗赤霉病主效位點Fhb1和QFhs.crc-2D組成上存在分化。因此, 聚合這兩類品種的主效抗性位點更易取得后代品系的豐產(chǎn)性和赤霉病抗性在更高水平上的結(jié)合, 進而實現(xiàn)小麥抗赤霉病育種的突破。Fhb1的抗性效應(yīng)已在我國黃淮麥區(qū)的抗赤霉病育種中得到驗證[5], 而QFhs.crc-2D的效應(yīng)在不同環(huán)境表現(xiàn)穩(wěn)定性略顯不足[10-12,16,19,38], 其MAS育種效率仍需要進一步評價。因此, 將Fhb1導(dǎo)入揚麥主體品種中, 聚合Fhb1和原本抗性優(yōu)異的揚麥系列品種的本底抗性是當(dāng)前值得期待的提高長江中下游麥區(qū)品種赤霉病總體抗性的方法。

小麥基因組中的基因在染色體上不是均等分布的, 存在基因富集區(qū)域[40]。小麥第1、2、3群的短臂和5、6群的長臂是抗病基因的熱點區(qū)域[41]。小麥3BS上存在抗赤霉病基因Fhb1[42], 還存在抗稈銹病基因Sr2和抗葉銹病基因Lr27[43],Sr2與Fhb1呈互斥相連鎖, 與Fhb1連鎖標(biāo)記gwm533的遺傳距離僅為0.4 cM[44]。此外在3BS上還定位到與小麥生育后期葉片延綠性[45-48]、灌漿速率[49]和千粒重[47,49]相關(guān)的QTL, 且都與gwm533連鎖。由于控制性狀的基因或QTL位置靠近, 對某一基因的強烈選擇, 就會對附近區(qū)域的其他基因產(chǎn)生選擇牽連效應(yīng), 并降低基因組這一區(qū)域的遺傳多樣性[50]。葉片的延綠性對提高小麥產(chǎn)量和抗逆性有重要作用, 是小麥生育后期的重要選擇性狀。寧麥9號及其衍生品種生育后期葉片延綠性高于揚麥158衍生品種[51], 寧麥9號衍生品種是Fhb1的載體品種, 育種者對葉片延綠性的選擇偏好, 就會產(chǎn)生對Fhb1的選擇牽連, 使得葉片延綠QTL和Fhb1作為1個單倍型向后代遺傳, 這可能是揚麥158和寧麥9號及其衍生品種在延綠性和Fhb1組成分化的重要原因。

小麥5AL上存在抗黃花葉病主效QTLQYm.nau-5A.1[31]。江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所在寧麥9號系選品種寧麥13的5AL上(物理位置為650.0 Mb)定位到與小麥基部小穗結(jié)實性的QTL, 此QTL與QYm.nau-5A.1(共分離標(biāo)記wmc415物理位置為535.1 Mb)存在一定程度的連鎖。穗部結(jié)實性是寧麥系列品種產(chǎn)量改良的重要選擇性狀[52], 寧麥系列品種含有較多的結(jié)實性有利等位變異, 其頂部和基部結(jié)實率也高于揚麥系列品種[53]。寧麥系列品種對結(jié)實性的強烈選擇, 牽連對QYm.nau-5A.1抗病單倍型的選擇, 這可能是揚麥158和寧麥9號及其衍生品種在結(jié)實性和QYm.nau-5A.1組成分化的重要原因。

小麥2DL上存在小麥抗黃花葉病主效QTLQYm.nau-2D[27-30], 在2DL上還存在控制小麥多酚氧化酶(PPO)活性基因Ppo-2DL[54], 其與QYm.nau-2D的診斷標(biāo)記wmc41遺傳距離僅有0.8 cM。QYm.nau-2D也是本研究中蘇麥6號及其衍生品種小麥黃花葉病的主要抗性來源, 用Ppo-D1的STS標(biāo)記[55]對試驗品種檢測, 含QYm.nau-2D的小麥抗黃花葉病的11個試驗品種均為高PPO活性的Ppo-D1b單倍型, 表明QYm.nau-2D與Ppo-D1b存在連鎖。在小麥2DL上還存在抗赤霉病QTLQFhs.crc-2D[10-12,14-17], 并與SSR標(biāo)記gwm539 (物理位置為515.2 Mb)連鎖, 其與QYm.nau-2D(共分離標(biāo)記wmc41物理位置為577.4 Mb)僅相距62.2 Mb。姜朋等[56]以寧麥9號衍生系群體為材料, 在2DL的gwm539位點關(guān)聯(lián)到與小麥蛋白質(zhì)含量相關(guān)的QTL。蛋白質(zhì)含量是小麥品種分類的重要指標(biāo), 寧麥9號衍生品種多為蛋白質(zhì)含量較低類型, 與揚麥158衍生品種有明顯差異, 兩類品種品質(zhì)類型的差異與小麥赤霉病和黃花葉病抗性位點組成上差異是否存在關(guān)聯(lián)需進一步研究。

同一染色體區(qū)段的基因呈相斥相連鎖在小麥中較為普遍, 如位于小麥2BL上抗白粉病基因Pm64和抗葉銹病基因Lr5[57], 3BS上抗赤霉病基因Fhb1和抗稈銹病基因Sr2[44]。這些呈互斥相連鎖的基因必須通過遺傳重組打破連鎖, 構(gòu)建2個基因新的單倍型組合, 才能使2個基因得到有效利用。通過這一方法將QYm.nau-2D和Ppo-D1a連鎖在一起成為1個單倍型, 進而創(chuàng)制QFhs.crc-2D+QYm.nau-2D+Ppo-D1a性狀聚合的單倍型, 不僅可減輕由于鎮(zhèn)麥9號應(yīng)用帶來的面粉色澤較差的不利效應(yīng), 同時還可提高其育種價值。本研究試驗品種中鎮(zhèn)麥9號和揚麥18均含有小麥赤霉病、白粉病和黃花葉病多個抗病基因, 因而對上述病害均具有較好的抗性,這也是其在育種中得到大量應(yīng)用的重要原因。

4 結(jié)論

長江下游麥區(qū)當(dāng)前推廣品種和新育成品種(系)在小麥抗赤霉病和黃花葉病主效QTL組成上存在分化,根據(jù)2種病害抗性QTL組成分為揚麥158和寧麥9號衍生品種兩類。聚合揚麥和寧麥系列品種的赤霉病抗性, 是進一步提高長江下游麥區(qū)小麥品種的赤霉病抗性重要途徑。Pm21是當(dāng)前長江下游唯一有效的抗白粉病基因, 應(yīng)加快后備抗源(基因)的利用。

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