西科麦6号成株期抗条锈病的遗传研究

2016-03-28李邦发

中国农业文摘-农业工程 2016年4期

李邦发

（西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010）

小麦条锈病是由小麦条锈菌Puccinia striiformis f.sp.tritici引起的气传性小麦叶部病害，是中国乃至全世界范围内小麦生产上危害最重的病害之一[1，2]。由于条锈菌生理小种随着气候的变化具有高度的变异性，长者10年，短则3-5年左右，抗源及其衍生后代的抗条锈病能力就会被新的毒性小种所克服，近而导致小麦品种的抗性丧失和条锈病流行[3]。我国因新毒性小种的产生和流行，各小麦主产区基本上进行过7-8次大规模的小麦品种更替。20世纪90年代以来，长江中上游麦区，在大面积推广应用以繁6及衍生品种为抗原的小麦品种在20世纪90年代中期，由于条锈菌生理小种CYR32逐渐发展流行，成为小麦条锈菌的优势种群后，生产上的小麦品种逐渐丧失抗性，从而导致了1996、1999及2001、2002年条锈病大流行[4]；北方以洛夫林10、洛夫林13含有洛类血缘系统、水源系统血缘、阿夫血缘系统等大批小麦品种感染条锈病。2002年，生理小种CYR32在我国引起小麦条锈病暴发流行，造成小麦产量损失1.3亿多吨，有的省份甚至有10%～20%以上的小麦面积大部分或颗粒无收[5，6]。进入21世纪，随着气候和生态条件的改变，小麦条锈病新的生理小种产生和流行速度加快，致病能力和毒性更强。2000年初期，CYR33发现定名后，很快成为优势和流行小种；而2008-2009年，在四川郫县头一次发现条锈病新的致病类型V26可感染携带YR26、YRCH42等抗病基因的小麦品种，随后在甘肃天水等地也发现该致病类型。从而具有贵农19-22系统、92R系统以及川麦42为血缘的小麦品种，又将受到条锈病大流行的威胁[7，8]。由于病原菌与寄主协同进化，因此大面积种植含有相同基因的抗病品种，容易导致新的条锈菌小种出现，甚至发展成条锈病流行。我国大多数科研单位和育种工作者迫于各种考核指标，注重短期目标，追求品种数量，看重经济效益，由此使用条锈病抗源和亲本材料趋同和单一，创新创制新抗源匮乏，所以寻找创制创新小麦新抗源、发掘新的抗病基因，培育使用具有抗小麦条锈病不同类型的新品种，是我国目前小麦育种和小麦生产上亟待解决的问题。

小麦条锈病抗性主要分为成株期抗性（Adult-Plant-Resistance，APR）和全生育期抗性（All-Stage Resistance，ASR）。成株期抗性一般为数量性状，为非小种专化抗性，抗性持久而不完全，对产量影响相对较小；全生育期抗性一般为质量性状，具有小种专化抗性，表现为全生育期抗病，但是容易被新出现的生理小种克服，对产量影响较大[9]。周强等[10]对绵麦37成株期抗条锈性进行了遗传分析，确定了绵麦37成株期对CYR32小种的抗性主要受一对显性基因的控制，同时受另两对隐性基因的影响。王利国等[11]对小偃6号抗病性研究发现，小偃6号在苗期和成株期较低温度条件下表现感病，而在比较高的温度条件下表现抗病，是高温抗条锈品种，属于全生育期高温抗病类型。而马东方等[12]对小偃6号成株期高温抗条锈性进行遗传分析发现，小偃6号高温抗条锈性属于质量性状遗传，所含的高温抗病基因是主效抗病基因，由此可见，同一品种在不同时期和不同生态环境条件下，所表现出的抗病性不尽相同，也证明小麦品种对条锈病抗性的遗传复杂性。任勇等[13]对四川省134份小麦品种（系）的条锈病抗性评价中，西科麦6号在小麦的整个生育时期，均表现出抗条锈病，但对于西科麦6号的抗性遗传还未见报道，本研究拟对西科麦6号成株期进行抗性遗传分析，以期发掘新的抗条锈病基因和抗源亲本，为小麦抗病育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料：小麦条锈病感病品种铭贤169由四川省农业科学院小麦资源研究室提供，西科麦6号为西南科技大学小麦研究所选育提供，西科号6号[14]，为四川省小麦生产上主要推广品种，从西科麦整个系谱图来看，大致可分为了4个主要阶段，1981年以前，优异材料T7915K-3-69的育成，采用多亲序列阶梯式杂交，聚敛了众多亲本的优良种质。第二阶段，1981年以优异的中间材料和当时最新将要推广的优良品种绵阳15号杂交，于1988年培育成功绵阳88-304（后定名绵阳25号）。第三阶段，1990年又以新品种绵阳25号作母本，以绵阳86-5为父本杂交，于1996年培育出了优异中心亲本绵阳95-325。第四阶段，1997年，以绵阳95-325为母本，以南农92R-135为父本进行人工授粉杂交，于2005年培育出稳定成系的LB0758。2006、2007、2008年参加省级区域试验和生产试验，2009年通过四川省农作物品种审定委员会审定，定名‘西科麦6号’。该品种聚集了众多亲本的优良特性克服了一些不良性状和弱点，不仅产量高，比对照增产10%，而且抗病性持久稳定，综合农艺性状优良，株叶型好，产量三因素协调，商品品质和加工品质俱佳。2007年统一取样，农业部检验测试中心（哈尔滨）品质分析结果为：粗蛋白质含量14.22%～15.84%，平均15.03%，湿面筋30.1%～30.5%，平均30.3%，容重751～799 g/L，平均775 g/L，沉降值42.1～57.8 mL，平均50.0 mL，稳定时间4.3～5.6分，平均5.0分。是同期审定品种中各项指标最优秀的品种，其品质指标有三项达到优质强筋小麦标准，所有指标远超优质中筋小麦标准。该品种不仅可以作优质馒头、面条、饺子，还可以作优质强筋粉的辅料。2010年通过西科麦2028×铭贤169杂交、自交，获得试验所需的足够的F1、F2、F3代种子。供试的小麦条锈菌生理小种CYR31、CYR32、CYR33、Su11-4、V26由四川省农业科学院植物保护研究所从甘肃省农业科学院植物保护研究所获得，隔离扩大繁殖后存于干燥器中备用。

1.2 试验方法

2012-2014年，西科麦6号的抗病性鉴定委托四川省植物保护研究所夏先全副研究员完成。2014年10月，将西科麦6号和铭贤169以及它们杂交获得的F2、F3种植于西南科技大学试验地，为便于操作和田间调查，播种行行长1 m，行距30 cm，每行播种22粒，粒距10 cm，单粒三角形方式播种。将接种每一生理小种的亲本以及F2、F3播种在相连位置，亲本西科麦6号P1和铭贤169 P2各种2行，F2种植20行，F3种植15个株系，1个株系种植10行，在试验材料四周平行种植铭贤169作诱发行，调查株数以田间实际出苗株数为准。接种在2015年3月小麦孕穗期进行，接种前，以清水用喷雾器将小麦叶片喷雾1次，再将供试菌系与滑石粉按1：50的比例混合均匀，用棉签蘸取涂抹接种全部试验材料，接种后用塑料覆盖以防相互影响，大约20 d左右，待到诱发材料充分发病后进行调查统计。

1.3 调查统计

参照《四川省小麦抗条锈病性田间鉴定技术规范》进行田间抗病鉴定调查，在鉴别寄主上，反应型0级，没有可见症状，严重度0，为免疫。反应型0；，有小褪绿斑点，没有孢子，严重度1%～5%，为免疫-高抗。反应型1，有小型坏死斑点或条斑，有零星孢子产生，严重度10%～20%，为高抗。反应型2级，有坏死斑和褪绿斑点或条斑，产生少许小的孢子堆，严重度30%～40%，为中抗。反应型3级，有坏死斑和褪绿斑点或条斑，产生中等数量的孢子堆，严重度50%～70%，为中感。反应型4级，偶有褪绿，产生大量的孢子堆，病叶逐渐枯死，严重度80%～100%，为重感。各生理小种的侵染情况是在感病品种铭贤169发病充分后，采用全国统一的0、0；、1、2、3、4六级标准进行生理小种的抗病和感病调查；生理小种对植株侵染反应型为0、0；1、2级的为抗病类型，3、4级的为感病类型[15]。

1.4 数据分析

采用陈胜可编著[16]介绍的SPSS 20.0统计分析方法进行数据分析。根据分析需要统计亲本以及杂交后代F2、F3各世代单株及株系（家系）的抗病、分离、感病株数量或抗感分离株系数，计算各自的分离比例，并用χ2法（P≤0.05）进行适合度测验，确定最适合分离比率。

2 结果与分析

2.1 西科麦6号的抗条锈病鉴定

西科麦6号2009年通过四川省小麦品种审定后，在2010年、2011年对原源种进行了连续两年去杂提高纯度的工作，从2012～2014年连续3年对西科麦6号进行了人工接种鉴定，结果表明，其对条锈菌生理小种CYR31、CYR32、CYR33、Su11-4、V26和混合菌系均表现为高抗至免疫，对照铭贤169 对所有菌系均表现感病。从田间性状表现观察分析和抗病鉴定结果统计考察，均表明西科麦6号，不仅农艺性状好、产量高，能进行大面积推广种植，产生社会经济效益；而且籽粒性状好，蛋白质含量高、品质优良，对小麦条锈病表现高抗至免疫，是高产抗病小麦育种的优良抗源材料（表1）。

2.2 西科麦6号对CYR31的抗性遗传分析

用CYR31接种，铭贤169调查41株，全部感病，侵染型为3的15株、侵染型为4型的26株。西科麦6号调查39株，全部抗病，侵染型为0的22株、侵染型为0；的17株。西科麦6号和铭贤169的杂交后代，F2代发生了抗感分离，调查了20行409株，其中抗病类型390株，感病类型19株，卡方测验符合61R：3S的遗传分离比例。在F3中调查了其中的2个抗感分离群体F3-1、F3-3，F3-1调查了10行205株，抗病株53株，感病株152株。F3-3调查了10行215株，抗病株56株，感病株159株，经卡方检验均符合1R：3S的遗传分离比例。因此说明，西科麦6号对CYR32的抗病性由2对显性基因和1对隐性基因独立控制（表2）。

2.3 西科麦6号对CYR32的抗性遗传分析

用CYR32接种后，西科麦6号调查42个单株全部抗病，29株侵染型为0型，13株侵染型为0；型。铭贤169调查39株为感病，3级侵染26株，4级侵染13株。西科麦6号×铭贤 169 杂交组合接种CYR32菌系后，F2代 398 株分离群体中，表现为 353 株抗病，45株感病，符合 57R∶7S比例，χ2测验符合3对显性基因（其中2对基因表现为累加作用）的分离比。F3-1表现为10行192株全部株抗病而没有出现感病植株，表明该株系抗病基因表现纯合；F3-2和 F3-3株系分别表现为158株抗病、48 株感病，146株抗病、52株感病，都符合3R∶1S比例，即符合1对显性杂合基因的分离比，显示其亲本基因型为1对显性杂合抗病基因；F3-4表现为116 株抗病，94 株感病，符合9R∶7S 比例，即符合2 对基因累加作用的分离比，表明其亲本基因型为2对杂合抗病基因，基因之间表现为累加作用。从西科麦6号×铭贤 169 杂交 F2及 F3代各株系的抗条锈结果可以看出，西科麦6号对CYR32 小种有3对显性抗病基因（其中2 对基因表现为累加作用）（表2）。

表1 西科麦6号成株期对小麦条锈病的抗性反应

2.4 西科麦6号对CYR33的抗性遗传分析

当接种CYR33生理小种后，铭贤169调查38株，侵染型全部为4型。西科麦6号表现抗病，22株为侵染型0；型，19株侵染型为1型侵染。西科麦6号×铭贤 169 杂交组合接种CYR32菌系后，F2代调查20行415株，抗病株数为348株，感病植株67株，卡方测验符合13R：3S的遗传分离比例，说明西科麦6号对CYR33的抗病性由1对显性基因和1对隐性基因重叠或独立控制。在F3代家系中，调查F3-1、F3-3、F3-4抗病单株较多的家系，抗病单株分别是152株、169株、142株，感病单株分别是56株、49株、55株，都符合3R：1S的遗传分离比例，表明这些家系具有1对显性杂合抗病基因；调查了F3-2、F3-5感病单株较多的家系，其抗病单株分别为59株和44株，感病植株分别为153株和148株，符合1R：3S的遗传分离比例，表明这些家系亲本基因型含有1对隐性抗病基因。从F2和F3的调查数据分析可以看出，西科麦6号对CYR33生理小种的抗病基因由1对显性基因和1对隐性基因控制（表2）。

2.5 西科麦6号对Su11-4的抗性遗传分析

接种Su11-4生理小种后，西科麦6号表现抗病，23株侵染型为0；，17株侵染型为1。铭贤169调查41株，全部感病，3型侵染的13株，4型侵染的28株。西科麦6号×铭贤169 杂交组合接种Su11-4后，F2对Su11-4 菌系表现为 339株抗病，93株感病，符合 13R∶3S 比例，χ2测验符合 1 对完全显性基因及 1 对隐性抗病基因的分离比。该杂交组合F3-1、F3-4、F3-5株系分别表现为142 株抗病、54株感病和158株抗病、57 株感病及153 株抗病、50株感病，都符合3R：1S比例，表明它们具有 1 对杂合抗病基因；F3-2、F3-3株系分别表现为48株抗病、150 株感病，62株抗病、155 株感病，符合1R∶3S比例，表明其亲本基因型含有 1 对隐性抗病基因；调查的 F3-6株系表现为205株全部感病，而没有出现抗病植株，说明该株系亲本各抗病基因位点都表现为感病纯合。从F2及 F3代各株系的抗条锈结果来看，西科麦6号对Su11-4 菌系的抗病基因数量与对CYR33菌系的抗病基因数量相同，具有1对完全显性基因及1对隐性抗病基因（表2），它们的抗病机理与抗病效果是否一致有待进一步研究。

2.6 西科麦6号对V26的抗性遗传分析

当接种V26生理小种后，西科麦6号表现抗病，18株为侵染型0；型，21株侵染型为1型侵染；铭贤169调查41株，全部感病，侵染型为3型的14株，侵染型为4型的27株。西科麦6号×铭贤 169 杂交组合接种V26菌系后，F2代调查432株，抗病株为334株，感病植株98株，卡方测验符合3R：1S的遗传分离比例，说明西科麦6号对V26的抗病性由1对显性基因控制。在调查的3个抗感分离F3-1、F3-4、F3-6家系中，抗病株分别为110株、90株和115株，感病株分别为100株、105株和95株，符合1R：1S的遗传分离比例。接种的15个F3家系，完全抗病的家系4个，抗感分离的家系8个，纯合感病的家系3个，基本符合1R：2RS：1S的遗传分离比例，综合上述调查分析，证明西科麦6号对V26的抗病性由一对显性基因控制（表2）。

3 讨论

西科麦6号抗性遗传研究结果表明，对小麦条锈菌CYR31的抗病性由2对显性基因和1对隐性基因控制；对CYR32的抗病性由3对显性基因（其中2对表现累加作用）控制；对CYR33的抗病性由1对显性基因和1对隐性基因控制；对Su11-4的抗病性由1对显性基因和1对隐性基因重叠或独立控制，这些抗病基因在何染色体上，是否是对CYR33相同的抗病基因有待进一步进行基因和定位分析；对条锈菌V26抗病性由1对显性基因独立控制。从西科麦6号的系谱来看，使用过的亲本材料有马奎斯（加拿大）、米隆诺夫808（前苏联）、提莫非维（美国）、玛拉（意大利）、阿波（意大利）、高绒球、矮绒球、白壳谷雨黄（四川省地方品种）、山农205、繁6、70-5858、绵阳11号、绵阳15号、绵阳88-304（绵阳25号）、绵阳86-5、绵阳95-325、南京农大92R-135等。从亲本表现看，马奎斯、米隆诺夫808、阿波、玛拉、山农205、繁6、绵阳11号等都是在小麦生产上起到过重大作用并且使用广泛的优良亲本的知名品种[14，17]。从商品特性、品质成分和农艺性状等方面看，马奎斯、山农205、70-5858、绵阳25号、绵阳15号、绵阳11号、绵阳86-5（绵阳23号）都是良好的育种材料，具有优良品质和综合性优良的农艺性状。在抗条锈病方面，山农205、阿波、繁6、绵阳11号和南农92R系统都是不同时期使用过的抗源亲本，培育出了大量在生产上推广使用的优良小麦品种。西科麦6号通过聚合杂交和阶梯式杂交的方法，将众多优良基因和不同时期的抗病基因聚集到了一起，从而表现出了对当前条锈病生理小种的高度抗病能力。92R系统的杂交后代，很多表现紫芒、紫颖、硬壳等不良性状，西科麦6号经多年选择培育，完全克服了这些弱点，由此说明，西科麦6号既是优良的小麦品种，又是小麦抗病育种中可以充分利用的新的抗源亲本材料。对西科麦6号进行生理生化、光合作用和遗传分析，发掘其内在的利用价值，具有非常重要的意义。

表2 西科麦6号对条锈生理小种CYR31、CYR32、CYR33、Su11-4和V26的抗性分析

韩德俊等[18]2009年鉴定了四川盆地86个小麦品种（系），其中具有苗期抗病的占18.6%，具有成株期抗病的占52.3%，总体抗条锈病的水平较高；而随着四川郫县和甘肃天水等地分离出Yr24、Yr26抗源有毒性的条锈菌新致病类型的发展，四川盆地小麦品种（系）抗条锈性水平下降，2011年据张培禹等[19]研究，通过对四川麦区23个主栽小麦品种和44个品系进行抗病性鉴定，只有22份具有成株期抗性，10份具有全生育期抗性，超过60%的主栽品种都不具有抗锈性。从20世纪90年代开始，在四川CYR31、CYR32、CYR33生理小种逐渐上升，目前，CYR33已上升为第1优势小种，CYR32为第2流行小种；而Su11-4和Su11-7出现的频率也逐渐上升。而且条锈病新致病类型是V26，也使携带Yr26、YrCH42为抗原的贵农系、92R系、川麦42系的一些衍生小麦品种感染条锈病，由于四川盆地处于中国小麦条锈病大区循环的重要位置，冬繁菌源可以通过气流传播到长江中下游麦区和黄淮流域麦区，四川乃至全国的小麦品种将面临更大的感病风险和成灾损失，四川乃至中国小麦生产将受到严重威胁，面对小麦抗源匮乏，使用抗源趋同的状况，新的抗源小麦亲本创新和新的抗源小麦品种选育刻不容缓。同时，加强科研单位和育种者之间的合作，互惠交换亲本材料和抗源材料，分析研究抗病品种的抗源和基因分析研究工作，进一步拓宽小麦条锈病抗源，提高小麦品种抗病基因的多样性，提高小麦育成品种对多种生理小种的抗病能力和持久性，将有助于提高我国小麦抗病育种水平和抵御条锈病流行造成的危害。西科麦6号集聚了不同时期多个抗源品种和材料的抗病基因，同时具备选育品种所需要的优良农艺性状和品质性状，目前的抗病性分析表明，对国内条锈病主要流行生理小种均表现出很强的抗性反应，因此西科麦6号是值得广泛利用的中心亲本，对西科麦6号进行试种鉴定、分析研究和作为育种骨干亲本应用，对于小麦抗病育种和国家粮食安全将具有极大的利用价值和长远的历史意义。

国际玉米改良中心（CIMMYT）从20世纪70年代开始对小麦进行成株期抗性研究和利用，形成了行之有效的育种方法，同时育成了很多具有成株抗性的小麦品种。利用成株期抗条锈病能够减少小麦生产产量损失，国际上很多国家已将成株期抗性作为小麦育种的主要方向和选择指标[20，21，22]。本研究对西科麦6号进行成株期抗条锈病进行遗传分析，结果表明，对于目前流行生理小种的抗性具有1对到3对基因单独控制或累加作用控制，证明西科麦6号是具有成株抗性的品种和抗源。任勇等的研究也表明西科麦6号具有全生育期抗性和成株期抗性。前人研究证明，对不同抗原的种质资源进行遗传分析和分子标记及基因定位研究，可以确定抗病基因是否得到有效利用，对开展分子培育抗病小麦品种具有重要意义，实践表明，聚合4-5个效应相对较大的微效基因即可培育出接近免疫的成株期抗性品种[23]。从西科麦6号的系谱和亲本分析，其是不是将不同亲本的不同抗病基因聚合到了同一品种，是微效基因的累加作用还是主效基因控制，有待于对西科麦6号进行基因定位和分子标记工作，确定抗病基因的连锁状态，以便为西科麦6号在小麦生产和小麦抗病育种中发挥更大的作用奠定理论基础。

（感谢四川省植物保护研究所夏先全副研究员提供帮助!）

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