利用小麥抗條銹病近等基因系對四川條銹病變化進行抗性監測及分析

李式昭，楊漫宇，涂 洋，朱華忠，鄭建敏，萬洪深，劉澤厚，羅江陶，楊恩年，伍 玲

（四川省農業科學院作物研究所/農業農村部西南地區小麥生物學與遺傳育種重點實驗室/糧油作物綠色種質創新與遺傳改良四川省重點實驗室，成都 610066）

由條形柄銹菌小麥?；停≒ucciniastriiformisf.sp.tritici）引起的小麥條銹病是一種小麥真菌病害，在全世界范圍內嚴重威脅小麥生產和糧食安全[1-2]。中國是世界上最大的小麥條銹病獨立流行區，特別是1950、1964、1990、2002 和2017年的5 次條銹病大流行，發生面積均超過550 萬hm2，損失小麥共計138億kg，嚴重影響我國小麥生產安全[3-4]。

四川盆地位于我國西南，是中國小麥主產區之一，同時也是小麥條銹菌重要的“冬繁區”，病菌能以夏孢子和菌絲狀態在病葉上或病葉里越冬；盆地西北高寒山區還是條銹菌越夏的重要基地，同時也是條銹菌新小種的策源地之一[5]。條銹病不僅引起四川本省的小麥產量損失，而且還為中國小麥主產區提供大量春季流行的初侵染來源，四川盆地輸出的條銹病菌源量和菌源群體結構對我國小麥條銹病的大區流行有關鍵影響[6-7]。從2012年開始，條銹病CYR34 生理小種逐漸成為我國西南麥區條銹病優勢小種，對西南主要抗條銹病基因Yr26和Yr10均具聯合毒性，導致川麥CH42系、貴農系和92R系等育種材料抗條銹性喪失，對小麥生產造成重大損失[4,8]。因此，從四川這個條銹病源頭上監測條銹菌生理小種變化和控制小麥條銹病傳播就成為確保我國黃淮海小麥主產區糧食安全的關鍵。

小麥抗條銹病近等基因系能排除遺傳背景干擾，是病原菌生理?；芯?、抗病機制研究、抗病基因推導分析和標記定位的重要遺傳材料；采用近等基因系作為鑒別寄主，可直接監測條銹病菌的變化，還能對相應抗病基因進行驗證。澳大利亞悉尼大學植物育種研究所自20世紀80年代起開展小麥抗條銹病近等基因系的構建工作。這套近等基因系是以感病春麥品種Avocet S 作母本，分別與其他含抗小麥條銹病基因的供體親本雜交，并以Avocet S 為輪回親本進行連續回交和篩選鑒定育成[9]。研究表明[10-11]，以Avocet S為背景的小麥條銹病近等基因系材料基本涵蓋了世界和中國小麥生產上重要的抗條銹病基因，可有效區分條銹菌小種毒性，且能據此推導其病原菌小種的毒性基因，已成為當前國際上通用的研究手段，利用該套近等基因系可以直觀監測抗條銹病基因的有效性。同時，在小麥生產上，我國小麥育種家在過去幾十年中已選育出許多優良抗條銹病小麥品種，并發揮了重要作用，但這些品種的抗性多為單基因抗性，隨著品種的推廣應用，條銹病原菌新優勢小種群體得以爆發式哺育增長，導致品種在生產上應用較短時間后喪失原有抗性[12]，監測病原菌的組成及變化，可以及時提醒育種家改變抗病基因的使用思路，已成為當前小麥抗病育種的重要需求。因此，利用條銹菌生理小種鑒別寄主對病菌群體的小種組成和變化進行動態監測，不僅能夠預測條銹病的流行趨勢，而且對發掘抗病基因資源、培育小麥抗病新品種均具有重大意義。

本研究通過人工接種四川優勢條銹病混合菌系和田間自然誘發相結合的方式，在2014—2022年連續9年對以Avocet S 為背景的小麥抗條銹病近等基因系進行條銹病抗性跟蹤鑒定評價，以了解其年度間抗條銹性變化和相應抗條銹基因的有效性，從而預測病害的發生和流行，為四川小麥抗條銹病育種和品種合理布局提供科學指導。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

人工接種的條銹病混合菌系采集自四川省不同生態區、不同海拔及不同小麥品種上自然侵染的葉片，包含CYR34、CYR32、CYR33、水源類型以及貴農類型，由四川省農業科學院植物保護研究所提供。以Avocet S為背景的小麥抗條銹病近等基因系材料來源于國際玉米小麥改良中心（CIMMYT），共28份，詳見表1。當地感病對照暨誘發行川育12和SY95-71由四川省農業科學院作物研究所提供。

表1 小麥抗條銹病近等基因系和所攜帶的抗條銹基因Table 1 Wheat stripe rust resistance near-isogenic lines (NILs) and their genotypes

1.2 田間抗性鑒定

所有抗病鑒定材料于2014—2022年連續9年在四川省農業科學院郫都區基地和新都基地進行成株期抗條銹病鑒定。播種采用條播方式進行，行長1.5 m，行距0.27 m，每份材料單粒播種，每行定植15 株。條銹病誘發行播于病圃四周及2 個小廂之間的豎行，種植川育12 和SY95-71 的混合系，此外每隔10行另增設誘發行1行。

參考LI Z.F.[13]、WU L.[14]等方法，小麥分蘗期時在誘發行上人工接種四川優勢條銹病混合菌系，調查指標為每份近等基因系材料的最終病害嚴重度（final disease severity，FDS)，待川育12 和SY95-71的混合系FDS達90%以上時，開始對供試材料進行成株期抗病性調查。調查方式為逐行低頭慢步踏查和蹲下細查方式相結合，并參考小麥條銹病測報技術規范（GB/T 15795—2011），未發病的健康葉片記為“0%”，采用13個等級（0%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%）進行記載。FDS≤40%則認為屬于抗病類型，FDS≥50%屬于感病類型。

2 結果與分析

2.1 小麥抗條銹病近等基因系在2014—2022年的綜合表現

28份小麥抗條銹病近等基因系在2014—2022年的監測結果如表2所示。由于郫都區試點和新都試點田間生態氣候條件不同，為避免條銹菌在單點發病不充分，鑒定材料的田間抗性表現存在輕重不一致之處，以2點中最重的結果為準。

表2 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系在四川的有效性Table 2 Resistance to stripe rust of 28 resistance NILs in Sichuan Province%

2014—2022年連續9年，該套近等基因系對條銹病的抗性表現基本穩定，是適合的小麥條銹菌鑒別寄主。其中，對四川條銹菌優勢小種一直表現抗病的基因（系）僅有3份，占10.7%，分別為：Yr5、Yr15和PBW343；表現感病的基因（系）有13 份，占46.4%，分別為：AOC-YRA、AOC+YRA、Yr1、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、YrSP、YrCV、Yr28、Yr29、Yr31和AOC-Null；抗性表現不穩定的基因（系）有12 份，占42.9%，分別為：Yr2、Tatara、Yr10、Yr17、Yr18、Yr24、Yr26、Yr27、Pavon、Seri、Opata和SuperKauz。

2.2 抗病基因（系）的表現

Yr5、Yr15和PBW343這3 個抗條銹基因（系）在2014—2022年連續9年的條銹病最終病害嚴重度（FDS）均≤40%，且Yr5的FDS 常年保持在0%～1%，Yr15的FDS 保持在0%～5%（圖1），這表明上述抗條銹基因（系）對四川優勢條銹病混合菌系一直持續表現抗性，是四川省有效的抗病基因，特別是抗條銹基因Yr5和Yr15的FDS 一直保持在很低水平，可在條銹病抗病育種中進一步加以利用。

圖1 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系抗病基因（系）表現Figure 1 Resistance genes (lines) of NILs resisting wheat stripe rust in 2014—2022

2.3 感病基因（系）的表現

AOC-YRA、AOC+YRA、Yr1、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、YrSP、YrCV、Yr28、Yr29、Yr31和AOC-Null這13個抗條銹基因（系）在2014—2022年連續9年的條銹病最終病害嚴重度（FDS）均≥50%，且AOC-YRA、AOC+YRA、Yr6、Yr9、Yr31和AOC-Null的常年FDS均為100%，感病程度最重（其中AOC-Null為Avocet S，為該套近等基因系材料的輪回親本，通常作為感病對照處理）；其余基因（系）中，YrSP和Yr29的FDS 保持在50%～100%，Yr1和Yr28的FDS 保持在60%～100%，Yr7、Yr8和YrCV的FDS 保持在80%～100%（圖2）。這表明上述抗條銹基因（系）對四川優勢條銹病混合菌系幾乎一直表現感病，可認為其抗性在四川省已失效，不僅在今后的條銹病抗病育種中應避免單獨使用，在生產上也應盡量降低含有這些基因的小麥播種面積。

圖2 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系感病基因(系)表現Figure 2 Susceptible genes (lines) of NILs resisting wheat stripe rust in 2014—2022

2.4 抗性不穩定基因（系）的表現

Yr2、Tatara、Yr10、Yr17、Yr18、Yr24、Yr26、Yr27、Pavon、Seri、Opata和SuperKauz這12 個抗條銹基因（系）在2014—2022年連續9年的條銹病最終病害嚴重度（FDS）在年度間存在差異，抗性表現不穩定。其中Yr10、Pavon、Seri、Opata、SuperKauz和Yr17的FDS 常年保持在1%～50%、10%～90%、20%～80%、1%～90%、1%～80%和20%～90%，且9年中有6～8年的FDS≤40%（圖3），尚有一定抗性；而Yr24、Yr26、Yr27、Yr2和Yr18的FDS 常年保持在20%～100%、30%～100%、10%～100%、40%～100% 和30%～90%，且9年中僅有1～2年的FDS≤40%（圖3），抗性可認為已基本喪失。對這類抗性表現不穩定的基因（系），應持續加強后續監測，明確這些基因在中國小麥生產品種上的分布狀況，提早進行品種的合理布局和必要的品種更替。

圖3 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系抗性不穩定基因（系）表現Figure 3 Unstable genes (lines) of NILs resisting wheat stripe rust in 2014—2022

2.5 四川條銹病抗性基因有效性的變化趨勢

從本研究監測中可發現，在四川應用非常廣泛的抗條銹基因Yr26[7,15-16]在2014年還保持對條銹病的抗性，但從2015年開始直至2022年，試驗連續8年表現感病，這與以條銹菌CYR34生理小種為代表的貴農22 致病類群（G22）從2014年開始在四川大流行的結果[4,8]是相吻合的。同時，本研究（表2）還發現，2014—2022年9年間，四川省小麥生產上的條銹菌生理小種組成出現過多次明顯變化：如2014—2015年，Tatara、Yr26和Yr27由抗病轉為感病，Pavon、Seri則由感病轉為抗??；2017—2018年，Yr18、Yr24由感病轉為抗??；2019—2020年，Yr2、Yr18和SuperKauz由抗病轉為感病，Tatara則由感病轉為抗??；2020—2021年，Yr10由抗病轉為感病，Yr2、Opata和SuperKauz則由感病轉為抗病。結合四川省區試郫縣點條銹病觀察試驗（表3）也可看出，2014—2015年，原區試對照綿麥37 對條銹病抗性由抗病轉為感病，2016年起即采用對照綿麥367 代替；2019—2020年，對照綿麥367 也由抗病轉為感病，之后又采用川農32 作為新區試對照。在生產上，從2020年起，四川省大面積推廣品種川麥104及其衍生品種在四川部分地區也開始表現出感病趨勢，這些近等基因系和生產品種的條銹病抗性變化都表明當前四川條銹病菌毒性還在不斷進行著變異演化，相應條銹病抗性基因的有效性也隨之發生變化，總的來說，有效的抗病基因有不斷減少的趨勢，目前僅有Yr5和Yr15對四川優勢條銹病混合菌系一直持續表現較強抗性。

表3 2014—2022年四川省區郫都區試點對照品種條銹病表現Table 3 Performance of stripe rust in check varieties of Pidu point in Sichuan provincial wheat trial during 2014—2022

3 討論

本研究采用了以澳大利亞春性品種Avocet S為背景的近等基因系作為條銹病鑒別寄主，總的來說2014—2022年共9年間該近等基因系對條銹病的抗性基本穩定，適合在四川省內對條銹病進行監測，且當前國際上也多傾向于使用該套鑒別寄主來檢測和鑒定條銹菌的毒性變異。由于中國小麥條銹病的毒性極其豐富多樣，且變異十分頻繁[17-18]，因此，引進該套近等基因系，能更好滿足中國小麥條銹菌群體毒性研究的需要。尤其是該材料以NILs為基礎，除了抗條銹基因差異外，其余遺傳背景和所有特性均保持一致，可以大大提高育種家進行抗條銹病育種的有效性和針對性。

本研究發現抗條銹基因Yr5和Yr15對四川優勢條銹病混合菌系一直持續表現抗性，是四川省有效的抗病基因。Yr5基因來源于斯卑爾脫小麥T.speltaalbum，Yr15來源于四倍體野生二粒小麥T.turgidumdicoccoides，分別定位于2BL 和1BS 染色體[19]，但其在國內小麥抗病育種中卻并未被廣泛應用[20-21]，推測其原因可能與載體品種的豐產性和農藝性狀較差，難以轉育利用有關。近年來，我國西南麥區已開始加快對這2個抗病基因的轉育和親本改良，目前已有品種應用于小麥生產實踐。如張華等[15]對153份四川小麥主推品種和后備品系的抗病基因進行分子檢測，發現川麥87、綿麥161、綿麥319 等12 份材料可能攜帶Yr5；川麥83、川農38、綿麥903等12份材料可能攜帶Yr15。習玲等[7]對78份四川小麥育成品種（系）進行條銹病抗性鑒定與抗條銹病基因分子檢測，發現西科麥557、蜀麥1829、綿麥835 等5 份材料可能攜帶Yr15。周軍等[16]對貴州、四川等省242 份小麥品種（系）進行成株期抗條銹病鑒定及分子標記檢測，發現供試材料中有52份含有Yr5基因，21 份含有Yr15基因。今后，可在小麥育種中加強利用上述攜帶Yr5和Yr15基因的品種或材料，當然，也要防止過度地單一使用這2個抗病基因，可以聚合其他抗病基因或微效基因再進行育種改良。

本研究發現抗條銹基因Yr1、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、YrSP、YrCV、Yr28、Yr29和Yr31表現感病，Yr2、Yr10、Yr17、Yr18、Yr24、Yr26和Yr27的抗性表現不穩定，然而當前我國生產上使用的主要抗條銹基因仍是來源于川麥CH42 系、貴農系和92R 系的抗源，Yr9、Yr17、Yr24、Yr26和Yr29被大面積推廣應用，檢測頻率很高[7,15-16,20-21]，這將導致我國小麥生產群體中抗條銹病基因的多樣性和安全性降低。針對這些基因，我們認為其不具有單獨使用價值，宜通過基因聚合后再進行利用。值得關注的是，Yr基因組合利用對條銹菌有非常好的抗性效果[7,15,22]。在目前有效抗病基因數量有限的情況下，通過基因聚合培育高水平的持久抗病品種，或是利用抗病品種（基因）合理進行時空布局，是提高小麥抗病基因利用效率[22]的有效途徑。

四川盆地是中國小麥條銹菌重要的“冬繁區”，同時川西北高寒山區還是條銹菌的越夏基地和新小種策源地之一[5]，四川小麥的條銹菌監測和條銹病控制策略在全國具有至關重要的作用。為減少向東部麥區傳播的春季輸出菌源，四川小麥品種最好應具備苗期抗性（使用全生育期抗性基因），且所用的主效Yr基因應盡量避免在越夏易變區擴繁應用，同時，還要持續做好抗病基因聚合和合理時空布局工作。因此，對條銹菌進行病情監測和評估是一項應該長期堅持的工作，這將為保障我國小麥安全生產提供關鍵的技術支撐。