周8425B抗葉銹病基因LrZH84和LrZH22/Lr13在其衍生品種中的遺傳解析

董純豪, 李俁佳, 唐建衛, 鄭繼周, 邱軍, 谷登斌, 王道文,鄭天存,, 殷貴鴻

(1.河南農業大學農學院,省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室,河南糧食作物協同創新中心,國家小麥工程技術研究中心,河南 鄭州 450046; 2.河南豐德康種業股份有限公司,河南 鄭州 454001;3.全國農業技術推服務推廣中心,北京 100125)

小麥葉銹病是由小麥葉銹菌(Pucciniatriticina,Pt)引起的真菌病害,主要侵染小麥的葉片,嚴重時可蔓延至小麥莖稈與穗部[1]。小麥葉銹病具有流行性廣、破壞性強、轉型寄生和循環式侵染等特點,因此該病害流行迅速,防治不及時則會導致大面積爆發,減產幅度一般為5%～20%,大流行年份可達50%[2-4]。中國從20世紀90年代后期至今,共發生了5次葉銹病大流行,分別在2008、2009、2012、2013和2015年,其中2012年的葉銹病大流行席卷了安徽、甘肅、河南、四川及山西等省份的15 000萬hm2麥田,造成近300萬t的小麥產量損失[4-5]。盡管中國通過“一噴三防”等諸多防控措施對農業病蟲害治理的能力不斷提升,但是由此引發的環境污染、農藥殘留等問題并不符合農業綠色生產的可持續發展理念[3]。挖掘抗葉銹病種質資源,明確抗病基因在現有品種中的分布,通過多基因聚合從而科學開展基因布局仍然是抑制小麥葉銹病流行最經濟有效、綠色安全的途徑。

目前已經有80個葉銹病抗性基因從普通小麥及其野生種或近源種中發掘并正式命名[6-7]。通過系譜分析、分子標記檢測等方法,已經對這些抗葉銹病基因在國內外小麥品種中的分布有了廣泛研究。朱瑜等[3]通過對國內40份小麥葉銹病抗性鑒定發現,運黑14207等10個品種含有Lr1,禾美988和百農207含有Lr11,漯6073等4個品種含有Lr37。董娜等[8]對39份外引小麥種質資源開展抗葉銹病基因檢測及抗性鑒定,發現抗葉銹病基因Lr1、Lr10、Lr20、Lr24、Lr26、Lr34、Lr37和Lr38在引進小麥種質中均有分布,且攜帶Lr24和Lr38的種質抗性良好。段振盈等[1]從石新828、百農3217、濟南2號、泰山1號等小麥品種中檢測到Lr1、Lr26、Lr34、Lr37、Lr46等5個抗葉銹病基因。閆曉翠等[9]對30個小麥品種抗葉銹基因分析發現,鄂恩5號攜帶Lr26和Lr1,貴農16攜帶Lr26和Lr13。

周8425B是六倍體小黑麥廣麥74與普通小麥通過遠緣雜交、大群體回交、輻射誘變、階梯雜交改良及快速加代等技術,創制出的重要小麥骨干親本[10]。周8425B自1988年創制成功以來便以其抗病抗逆、矮稈大穗的突出特點被廣泛應用,截至2023年07月,在豫、皖、蘇、陜、魯、冀、京、甘、鄂、貴、晉、川、滬13個省份330家單位育成通過國審和省審小麥新品種839個(86個跨區審定的品種不再重復計算),為保障國家糧食安全和農民增產增收做出了重要貢獻[10-11]。周8425B對小麥條銹病和葉銹病等均有優異的抗性表現,從周8425B及其衍生品種周麥22中挖掘到2個抗葉銹病基因LrZH84[12-13]和LrZH22/Lr13[13-14],周麥22中的抗葉銹病基因LrZH22/Lr13來源于周8425B[15-16],其中LrZH84表現全生育期抗性,而LrZH22/Lr13既表現出苗期抗性,又表現成株期抗性。然而,在眾多周8425B的衍生品種中,LrZH84和LrZH22/Lr13的基因分布情況并不清楚。本研究對周8425B及其207份衍生品種進行了葉銹病苗期抗性鑒定和分子標記檢測,以期掌握LrZH84和LrZH22/Lr13在衍生品種中的分布情況和遺傳規律,為小麥抗葉銹病育種和抗葉銹病新基因挖掘提供新的種質資源。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試菌株為KKSQ、TKTS、TKGQ小麥葉銹病流行菌株,均由河北農業大學李在峰教授提供,葉銹菌生理小種依據LONG等[17]提出的葉銹菌密碼命名系統進行命名。供試材料為骨干親本周8425B及其衍生品種207份,感病對照品種鄭州5389和成株慢銹對照品種SAAR由河北農業大學李在峰教授饋贈。

1.2 試驗方法

1.2.1 苗期抗性鑒定 將骨干親本周8425B、抗病對照SAAR、感病對照鄭州5398及207份供試材料種植于穴盤(7 cm × 7 cm × 5 cm)中,每個穴盤均勻種植4棵麥苗,置于溫室中培養(25 ℃, 光照/黑暗=16 h / 8 h),當小麥第1片葉完全展開時,采用掃抹法[18]將KKSQ、TKTS、TKGQ葉銹菌生理小種分別接種,并置于90%～100%濕度的黑暗環境中過夜(16 h),之后在溫室中繼續培養(25 ℃),待感病對照鄭州5398充分發病后,依據ROEFS等[19]的分級標準進行抗葉銹病鑒定進行侵染型調查,其中0～2級代表抗葉銹病,3～4級代表感葉銹病,“+”代表比正常狀態下孢子堆偏大,病害等級表現較高,“-”代表比正常狀態下孢子堆偏小,病害等級表現較低(表1)。

表1 小麥葉銹病侵染型Table 1 Infection types of leaf rust in wheat

1.2.2 抗葉銹病基因分子標記檢測 利用CTAB法[20]提取供試材料的DNA,并用NanoDrop2000檢測DNA的純度和濃度,稀釋至50～60 mg·L-1的工作液用以抗葉銹病基因分子標記檢測(表2)。PCR反應體系為10 μL:待測小麥葉片的基因組DNA 1 μL、2×PCR Mix 5 μL、引物F/R(10 μmol·μL-1)各1 μL、ddH2O 2 μL。HBAU標記是針對LrZH22/Lr13基因開發的CAPS功能標記,酶切體系和反應條件為:PCR擴增產物5 μL、限制性內切酶HindⅢ 1 μL、10×Buffer 1 μL和ddH2O 3 μL,于37 ℃酶切30 min。Hbsf-1標記擴增產物和HBAU標記酶切產物均使用1.5%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測。

表2 抗葉銹病基因分子標記引物序列Table 2 Sequence of molecular markers primers for leaf rust resistance genes

2 結果與分析

2.1 葉銹病抗性鑒定結果

苗期葉銹病接種鑒定結果(表3)顯示,骨干親本周8425B對KKSQ、TKTS、TKGQ葉銹菌生理小種均表現中抗水平,其207份衍生品種對KKSQ、TKTS、TKGQ生理小種表現中抗及以上水平的材料分別有57、73、64份,對3個生理小種均表現中抗及以上水平的材料有42份,所占比例為20.3%;5個子1代品種中周麥11對鑒定的3個生理小種表現中抗,周麥12和周麥13對TKTS生理小種表現中抗,周麥16對KKSQ生理小種表現中抗;68個子2代品種對鑒定的3個生理小種表現中抗的材料分別有20、21、21份;113個子3代品種對鑒定的3個生理小種表現中抗的材料分別有23、38、33份;21個子4代品種對鑒定的3個生理小種表現中抗的材料分別有6、11、9份。

表3 周8425B及其207個衍生系的品種信息、葉銹病抗性基因檢測及對3個葉銹菌生理小種苗期抗性鑒定結果Table 3 Cultivar variety information, results of molecular marker detection and identification of resistance to 3 pathotypes of Puccinia triticina at seedling stage

2.2 分子標記檢測結果

通過對LrZH84和LrZH22/Lr13葉銹病抗性基因連鎖標記或功能標記的檢測(表3),發現周8425B的207份衍生品種中周麥13、周麥16、淮川101、淮麥28等31份材料僅攜帶LrZH84基因,其中對鑒定的3個生理小種表現中抗水平的分別有8、10、8份,所占比例分別為25.8%、32.3%、25.8%;禾豐3號、機麥211、西農805、鄭麥7698等46份材料僅攜帶LrZH22/Lr13基因,其中對鑒定的3個生理小種表現中抗水平的分別有21、31、25份,所占比例分別為45.7%、67.4%、54.3%;周麥11、周麥12、丹麥118、洛麥22等14份材料同時攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因,其中對鑒定的3個生理小種表現中抗水平的分別有9、11、11份,所占比例分別為64.2%、78.6%、78.6%;鄧麥996、保麥5號、才智16號、泛麥5號等116份材料均不攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因,其中對鑒定的3個生理小種表現中抗水平的分別有19、21、20份,所占比例分別為16.4%、18.1%、17.2%。盡管在衍生品種中泛麥803、華育166、存麥20、賽德麥5號等10個小麥品種不含LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因,但是仍然對KKSQ、TKTS、TKGQ生理小種均表現中抗水平,可能其含有其他抗葉銹病基因,有待進一步檢測與挖掘。

本研究中檢測的周8425B衍生品種中,周麥22同時攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因,以周麥22為親本衍生出48個小麥品種。其中,同時攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因的材料有3份,僅攜帶LrZH84或LrZH22/Lr13抗病基因的材料分別有3和25份,對KKSQ、TKTS、TKGQ生理小種均表現中抗及以上水平的材料有16份,所占比例為33.3%。矮抗58不攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因,以矮抗58為親本衍生出了64個小麥品種。其中,只有周麥36號小麥品種同時攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因,僅攜帶LrZH84或LrZH22/Lr13抗病基因的材料分別有7份和9份,對KKSQ、TKTS、TKGQ生理小種均表現中抗及以上水平的材料有6份,所占比例為9.4%。周麥22衍生品種中攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13抗病基因的比例高于矮抗58的衍生品種,并且周麥22衍生品種對檢測的3個生理小種表現中抗及以上抗性的比例也高于矮抗58的衍生品種。

3 結論與討論

本研究檢測的207份周8425B衍生品種中對KKSQ、TKTS、TKGQ強毒力優勢葉銹菌生理小種均表現中抗及以上水平的材料僅有42份,所占比例為20.3%,可能是由于其中河南省審定的小麥品種偏多,小麥葉銹病發病區域主要集中在南陽、信陽、駐馬店、周口、許昌等豫中南地區,豫北地區發病偏輕,對葉銹病抗性的選擇壓力偏弱,然而,隨著農業機械化程度顯著提高,收獲時籽粒田間損失率較多,造成小麥實生苗基數很大,為葉銹病完成侵染循環提供更多的寄主,田間葉銹菌源量增多,同時由于全球氣候變化,造成暖冬年份增多,以及降水帶北移導致的雨水偏多等原因,河南省小麥葉銹病流行的風險在不斷提高,因此急需重視抗葉銹病小麥新品種的選育工作。

從葉銹病苗期抗性效應來看,在檢測的LrZH84和LrZH22/Lr13中,均不攜帶該基因的材料對葉銹病達到中抗水平的比例最低,僅攜帶LrZH22/Lr13的材料對葉銹病達到中抗水平的比例高于僅攜帶LrZH84抗性基因的比例,說明LrZH22/Lr13基因的抗性效應優于LrZH84,同時攜帶LrZH84和LrZH22/Lr13的材料對葉銹病達到中抗水平的比例最高,綜合表現為LrZH84+LrZH22/Lr13基因組合的抗病效應優于LrZH22/Lr13和LrZH84。

從周麥22、矮抗58及其衍生品種中的LrZH84、LrZH22/Lr13基因的分布情況來看,盡管矮抗58并不攜帶以上基因,由于對手親本可能攜帶LrZH84、LrZH22/Lr13抗病基因,因此其衍生后代中也出現了攜帶該抗病基因的品種,但是矮抗58衍生品種中攜帶LrZH84、LrZH22/Lr13基因的比例較周麥22的衍生品種少。由此可見,親本材料攜帶的抗病基因數量對其后代中抗病基因的聚合以及抗性表現均有較大的影響。因此,在今后的育種工作中,應重視親本材料的遺傳多樣性,加強不同抗性基因的聚合,培育具有持久抗性的小麥新品種從而抑制小麥葉銹病的流行,為保障國家糧食安全提供品種支持。