小麦抗病遗传多样性对条锈病的调控效应

陈伟帅, 高 利, 刘太国, 刘 博, 陈万权

(中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室,北京 100193)

小麦抗病遗传多样性对条锈病的调控效应

陈伟帅, 高 利*, 刘太国, 刘 博, 陈万权*

(中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室,北京 100193)

选用小麦抗条锈病近等基因系的5个品种,进行不同混播处理,研究了混播群体中存在各不同抗病基因时对小麦条锈病的控制效果。试验结果表明,两个单基因品种混播多不能显著降低条锈病的发生,而3个以上单基因品种混播多可显著降低条锈病的发生,而且4～5个品种混播的REM值也说明多个品种的混播可减少条锈病的发生。但是,防效并非完全与混播基因数目有关,而与基因的类型也有关。不同抗病基因对条锈菌生理小种的选择存在差异,小麦群体中所含的丰富抗病基因可减缓优势小种的出现。千粒重数据显示,品种混播的千粒重高于单个品种。

小麦条锈病; 近等基因系; 混播; 病情指数; 产量

小麦条锈病是由小麦条锈菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)引起的在世界范围广泛发生和流行的病害,该病害在全世界小麦主产区一般可造成0.1%～5%的产量损失,部分地区可减产5%～25%[1]。该病害发生面积广、流行频率高,在我国危害尤其严重[2]。在小麦条锈病的综合防治上,种植抗病品种被认为是最经济、有效和环保的措施[3],但是由于小麦条锈菌的毒性易发生变异,导致品种的抗性很容易被新毒性小种所克服,一般3～5年便会丧失抗性[4],降低了抗病品种利用的经济有效性。

近年来,利用生物遗传多样性控制病虫害有了新的发展。Cox等[5]的研究表明,叶锈病发生严重度随着混合品种中感病品种比例的降低而显著降低,并高于两个品种单种的产量。Zhu等[6]发现,水稻的感病品种和抗病品种间栽可有效控制稻瘟病,感病品种比其单作增产89%,并且发病严重度降低94%。黄冲等[7]发现,小麦抗感品种混(间)种对本地菌源引起的小麦条锈病有明显效果,对病害减轻程度为29.6%～81.9%,对外来菌源引起的病害效果较差。郭世保等[8]发现,品种混播以抗感组合较好,且混播小区条锈菌的遗传多样性高于单播小区;李进斌等[9]发现,小麦品种混种能有效地减少单个叶片中的小种数,并显著降低小麦条锈菌优势小种的出现频率。但这些报道中,混播的防病效果波动比较大,且有负防效的出现。以往关于小麦混播的研究中,多使用生产品种,遗传背景以及农艺性状差异较大,影响结果的因素较多,从而对混播效果进行分析时比较复杂。本研究的选材为小麦近等基因系品种,除抗病基因不同外,其他遗传背景完全相同,农艺性状极其相似。故可以排除遗传背景及农艺性状不同的影响,从而更容易对混播中抗病基因间的相互作用效应进行研究,从抗病基因方面入手,为利用多样性控制小麦条锈病提供理论依据与指导。

1 材料与方法

1.1 小麦品种

小麦近等基因系品种Avocet S*6/Yr 1、Avocet S *6/Yr 6、Avocet S*6/Yr9、Avocet S*6/Yr10、Avocet S*6/Yr24,由中国农业科学院植物保护研究所麦类真菌病害课题组提供。

1.2 田间试验设计

试验地点设在甘肃省农业科学院植物保护研究所甘谷试验站,种植时间为2013年10月6日。设置18个处理：

(1)Avocet S*6/Yr 1;(2)Avocet S*6/Yr 6; (3)Avocet S*6/Yr 9;(4)Avocet S*6/Yr 24;(5) Avocet S*6/Yr 10;(6)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6;(7)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/ Yr 9;(8)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9;(9) Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6+Avocet S* 6/Yr 9;(10)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/ Yr 24;(11)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 10; (12)Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 24;(13) Avocet S*6/Yr 24+Avocet S*6/Yr 10;(14)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/ Yr 24;(15)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 24 +Avocet S*6/Yr 10;(16)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 10;(17)Avocet S *6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 24+ Avocet S*6/Yr 10;(18)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/ Yr 24+Avocet S*6/Yr 10。

每处理3次重复,随机区组排列。小区面积为2 m×3 m,每个小区种植小麦10行,行长2 m,行距0.3 m,小区间距0.6 m,重复间距0.5 m。重复间均匀穴播1行‘铭贤169’为诱发行。播种前测定各品种的发芽率和千粒重,根据混播小区中各组分的发芽率和千粒重,称取相等有效麦粒数,等比例混合,然后按照每行播种量称重分装到行。试验地采用正常的肥水管理,全生育期内不施用任何杀菌剂。

1.3 接种与病害调查

2014年3月26日进行田间接种。接种选用包含甘肃当地主要流行小种CYR32和CYR33的混合菌,在诱发品种‘铭贤169’幼苗上喷雾接种。

病害调查开始于2014年5月6日,共调查5次,采用五点取样法,每点调查20株,记载各小区病叶数及严重度,每6 d调查一次。

严重度分级标准以及病叶率和病情指数的计算均按《小麦条锈病测报调查规范》(GB/T15795-1995)的标准进行。

1.4 产量、千粒重测定

于各小区品字形选3点,每点收取1 m2,应做到所收小麦的长势均匀。脱粒后晒干筛净,分别称重取平均值,然后折算为667 m2产量。从每个小区收获的种子中随机取500粒称重,重复3次取平均值,并折算为千粒重。

1.5 数据处理

用Excel计算病情指数(disease index,DI),病情曲线下面积(area under disease progress curve,AUDPC),相对防效和相对增加率等数据。采用SAS统计软件进行方差分析。

病情曲线下面积AUDPC的计算公式为：

Xi,Xi+1分别为时间Ti和Ti+1时的病情指数,n为调查次数。

病情指数的计算公式为：

相对防效的计算公式为：

A1：混合种植中AUDPC、病叶率或病情指数的理论值;

A2：混合种植中AUDPC、病叶率或病情指数的实际值。

相对增加率的计算公式为：

A3：混合种植产量、千粒重的理论值;

A4：混合种植产量、千粒重的实际值。

其中理论值是指根据组合中单种的AUDPC、病叶率、病情指数、产量、千粒重,计算出的加权平均数,权数为各组分在该混播组合中所占的比例。

2 结果与分析

2.1 混播对条锈病的防治效果

2.1.1 不同组合混播的病叶率和病情指数

从表1可看出,与病叶率理论值相比,混播小区的病叶率有所降低。13个混播处理中,仅处理8和10是负防效(相对防效值为-3.13%和-7.36%,没有防治效果),其余的11个混播组合皆为正防效。混播小区病叶率实测值小于理论值的占84.61%,相对防效在2.84%～39.23%之间,故混播能一定程度上降低病叶率,减少条锈病的发生。

通过病情指数可以看出,混播中实测值低于理论值的占53.84%,相对防效为17.87%～79.66%。在所有混播处理中,2品种混播,表现正防效的为处理6、7和11,占42.86%,表现负防效的为处理8、10、12、13,占57.14%;3品种混播,表现正防效的为处理15和16,占50%,表现负防效的为处理9和14,占50%;4品种和5品种混播,即处理17和18,均表现为正防效。

由此可见,3个以下品种混播中,既有正防效也有负防效,而4品种和5品种混播则皆表现为正防效,这表明小麦近等基因系混种,对条锈病的发生有调控作用,具体表现为,在一定程度上,抗病基因越丰富,病情指数越低。

而当组合中抗病基因在3个以下时,有些组合包含的基因数目相同但防效却有正有负(如组合6和组合8,都是2基因组合,防效却分别为70.68%和-156.65%),这似乎与上述结论相悖,然而这些组合中尽管基因数目相同,但基因类型却并不相同,由此可见,并非简单的混种就能减轻病害,而是与组合中所包含的基因类型有关。如本试验正防效组合中,多存在Avocet S*6/Yr6和Avocet S*6/Yr 10;负防效组合中多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S* 6/Yr 24。

表1 单播与混播小麦灌浆期病叶率和病情指数1)Table 1 Diseased leaves rate and disease index in the filling stage of mono-and mix-planting wheat

图1 小麦单播与混播各处理病叶率发展动态Fig.1 Dynamic change of diseased leaves rate by mono-and mix-planting

2.1.2 各处理的AUDPC

混播中AUDPC实测值低于理论值的占53.84%,相对防效在16.96%～76.42%之间。2品种混种中正效应比例42.85%,而3品种混种正效应比例提高为50%,4品种和5品种组合病害均有所减轻。产生负效应的组合中,多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S*6/Yr 24。抗病基因的数目及类型均会一定程度地影响防效。

图2 小麦单播与混播各处理AUDPC理论值与实测值比较Fig.2 Theoretical and measured AUDPC in treatments of mono-and mix-planting

2.2 混播对产量的影响

有10个组合产量实测值大于理论值(图3),占76.92%,增幅在3.06%～16.39%之间。但增幅并不显著。

千粒重实测值大于理论值的组合占92.31%。混播处理7、8、9、12、14、16、17、18显著高于单播3,混播处理15、18显著高于单播4,混播处理8显著高于单播2(表2)。因此,混播可一定程度上降低条锈病对产量的影响。

图3 小麦单播与混播各处理产量理论值与实测值比较Fig.3 Theoretical and measured value of wheat yields by mono-and mix-planting

3 结论与讨论

前人有很多品种混种对病害控制作用的研究,不过选材上多集中于生产品种,旨在直接应用于农业种植,各品种都含有多个抗病基因,遗传背景比较复杂,农艺性状也多有差异。这使得在多样性控制条锈病的研究中增加了很多变量。本试验选用近等基因系品种混播,来研究多样性对条锈病的调控作用,排除了遗传背景上的差异,仅有抗病基因的不同,这样更易研究不同基因之间的相互影响。

以前的研究中,品种混种的防病效果不尽相同,波动较大,有时候甚至出现病害加重的现象。黄冲等[7]的研究表明,混(间)种对病害的减轻程度为29.6%～81.9%。许韬等[10]的研究结果显示,混种对小麦白粉病的防效在1.23%～56.65%之间,但并非所有组合都表现正效应。这与本试验结果相似,混播中AUDPC实测值低于理论值的占53.84%,相对防效在16.96%～76.42%之间。这表明利用多样性防治病害时并不能随意选择品种来混种,还需要考虑抗病基因的搭配。

表2 小麦不同品种单播和混播的千粒重1)Table 2 Thousand-grain weight of different wheat varieties by mono-and mix-planting

从影响品种混种防治效果的因素方面,以往研究中多提到其防病效果与品种数目相关。Mundt等[11]认为当混播品种数目在2～4之间时,随品种数目增加其防病效应提高,当数目增加到5个时,控病效果反而下降。郭世保等[12]的结果表明,在2～4个抗性小麦品种组合中,其混合效应随混合群体中小麦品种组合数目的增多而增强,当组分数目增加到5个时,混合效应不再继续增加,在小麦品种搭配上,以抗感搭配效果显著。陈企村等[13]对7个品种的试验结果表明小麦品种混种对条锈病的病害防治效应,具有随组分数目的增加而提高的趋势。本试验中,并非所有混种组合的严重程度都减轻,相反有的组合发病加重,表现为2～3品种混种中既有正防效又有负防效,这表明防病效果并非简单地与品种数目有关。而2品种混种中正防效比例为42.85%,3品种混种正效应比例提高为50%,4品种和5品种组合病害均有所减轻。这说明在一定范围内,抗病基因越丰富,对病害控制作用越好。

此外,2品种和3品种混播中,病害减轻的组合多含有Avocet S*6/Yr 6和Avocet S*6/Yr 10组分,而病害加重的组合中多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S*6/Yr 24组分,这表明,当混播组合中抗病基因较少时,防病效果并非简单决定于抗病基因的数目,抗病基因的类型也起了重要作用。一些特定的基因搭配,会产生更高的防效。

从千粒重来看,有12个组合实测值大于理论值,占92.31%;产量上,有10个组合实测值大于理论值,占76.92%,故混播可以一定程度上减少产量损失。而且,千粒重增加与产量增加不一致,故此效应并非完全是通过增加千粒重实现的,还有其他因素的影响。

品种混播还会影响到条锈菌群体的变化[1415]。Mundt等[16]认为混合品种对病原菌群体不具有定向选择作用。李进斌等[9]认为小麦品种混栽能有效地减少单个叶片中的小种数,并能显著降低小麦条锈菌优势小种的出现频率。这与本试验中4品种和5品种组合病害减轻的现象符合。多个抗病基因的存在能保持病原菌群体的稳定性,减少优势种的出现。

今年甘肃气候异常,发病前期气温较低,抑制了病害的扩展,5月18日后,气温骤升,条锈病迅速发展,有的小区可能超过了其承载能力,致使混种群体完全丧失抗病性,这可能是某些小区防病效果较差的原因之一。

因试验材料所限,本试验的混播组合未能选用全组合,所选组合主要集中于2品种和3品种组合;本试验选用的品种没有抗病组分,未研究抗感搭配对病害影响。这些研究尚需进一步探索。

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(责任编辑：王 音)

Regulating effects against wheat stripe rust by the genetic diversity of wheat

Chen Weishuai, Gao Li, Liu Taiguo, Liu Bo, Chen Wanquan

(State Key Laboratory for the Biology of Plant Diseases and Insect Pests,Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)

To study the effects of different resistance genes in mixed groups on controlling wheat stripe rust,five cultivars of near-isogenic lines were chosen,each contains a resistance gene.The result showed that two cultivars mixture did not reduce the disease obviously,but three or more cultivars mixture could mostly reduce disease significantly.In addition,the REM value of four and five cultivars mixture showed that multi-species hybrid can reduce the occurrence of stripe rust.However,the control effect was not related to the number of genes completely,but the type of gene was also relevant.Different resistance genes select different physiologic races of stripe rust,which can explain the phenomena that the more resistance genes,the higher probability of disease mitigation,because lot of genes can suppress the occurrence frequency of dominant races.The thousand-seed weight of mix-cultivar was higher than that of the mono-cultivar.

wheat stripe rust; near-isogenic lines; mixed seeding; disease index; yield

S 435.121.42

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.06.034

2014-11-04

2015-03-31

国家“973”计划项目(2013CB127701,2011CB100403);国家现代农业产业技术体系(CARS-03);北京市科技新星计划(Z131105000413057)

*通信作者 E-mail：wqchen@ippcaas.cn;lgao@ippcaas.cn