温室条件下小麦白粉病抗性的综合评价和高抗品种的筛选

李 韬，李嫒嫒，李 磊，顾世梁

(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心/教育部植物功能基因组学重点实验室/小麦研究中心，江苏扬州 225009)



温室条件下小麦白粉病抗性的综合评价和高抗品种的筛选

李 韬，李嫒嫒，李 磊，顾世梁

(扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心/教育部植物功能基因组学重点实验室/小麦研究中心，江苏扬州 225009)

摘要：为进一步培育高抗白粉病小麦品种提供材料，在温室白粉病高选择压和自然侵染条件下，先后在抽穗期和灌浆期，对80份小麦材料(地方品种、国内育成品种/系、国外引进品种及部分中国春非整倍体材料)的白粉病抗性情况进行调查记载，然后利用马氏距离及其聚类法对不同材料的抗性进行多生育时期和多指标的综合评价。结果表明，国外引进品种Capo全生育期免疫白粉病，中国春衍生的大多非整倍体材料和国外引进品种Coop Capoildo表现高抗。依据各材料间的马氏距离将80份材料分为6类，Capo所在的第2类总体抗性最好，该类包含17份材料，抽穗期和灌浆期平均侵染型小于1.0，平均严重度小于10.0%。中国春及其衍生的非整倍体材料与Capo抗性较为相似，表明中国春携带的广谱抗性基因 Lr34仍然具有优异的白粉病抗性。

关键词：小麦；白粉病；侵染型；严重度；马氏距离；综合评价

白粉病(Blumeriagraminisf. sp.tritici)是我国小麦重要病害之一，在长江中下游和西南麦区是仅次于赤霉病或条锈病的第二大病害，而在北部冬麦区和黄淮冬麦区是最重要的小麦病害，一般可造成减产5%～15%，白粉病大流行时可造成减产50%以上。该病发生频繁，且小麦从幼苗期至成株期各生育阶段均可受白粉病菌的侵染。其侵染部位主要是小麦叶片，但严重时叶鞘、茎秆和穗部也可受害。选育白粉病免疫或高抗白粉病品种且兼顾高产、优质、广适应性一直是主要的育种目标[1]。

白粉病抗性按照生育时期，可分为苗期抗性、成株期抗性和全生育期抗性；根据寄主范围，可分为非寄主抗性和寄主抗性[2]。寄主抗性又可分为小种专化抗性和非小种专化抗性[3]。非寄主抗性和非专化寄主抗性抗谱较宽且抗性持久。最理想的抗性类型为全生育期对不同白粉菌生理小种具备持久免疫或高抗的特性，即便多年多点种植，这种抗性仍然能够保持，因此又称为广谱或持久抗性。截至目前，小麦及其近缘种属中只有极少数抗性基因介导广谱或持久抗性，如来自簇毛麦的 Pm21对不同小麦白粉菌生理小种全生育期免疫[4-6]； Lr34不仅对条锈、叶锈和杆锈具有广谱抗性，还对不同小麦白粉菌生理小种具有持久的高抗特性[7-9]。小麦抗白粉病基因共有3类来源：第一类来源于普通小麦，如 Pm1a、Pm3a、Pm5a和 Pm10等；第二类来源于小麦近缘种，如来自栽培一粒小麦的 Pm1b、来自斯卑尔脱小麦的 Pm1d、来自栽培二粒小麦的 Pm4a和 Pm5a、来自拟斯卑尔脱山羊草的 Pm12和来自高大山羊草的 Pm13等；第三类来源于小麦近缘属，如来自黑麦的 Pm7、Pm8、Pm17和 Pm20及来自簇毛麦的 Pm21等。这些外源抗病基因极大地丰富普通小麦抗病基因库。目前命名的绝大多数基因都是小种专化抗病基因。由于寄主和病原菌的协同进化特性，小种专化抗病基因会因毒性小种的出现而很快丧失抗性，如 Pm1、Pm3a、Pm4a、Pm4b、Pm5、Pm7、Pm8、Pml6、Pm20、Pm22、Pm26、Pm27和 Pm29等在我国已完全或部分失去抗性[10]。因此，研究人员需不断挖掘和筛选优异抗性资源，增加抗性资源的多样性，并对优异抗性基因进行定位和标记辅助育种，才能应对不断变化以及新的毒性小种威胁，促进粮食安全和食品安全。

虽然小麦近缘种属中携带优异的抗性基因[11]，但通过远缘杂交转育这些抗性基因耗时长，而且还存在外源基因在小麦遗传背景中的稳定性和适应性问题。此外，外源染色体或染色体片段与小麦基因组交换重组有限或无重组，导致连锁的不利基因不易被剔除。而来自普通小麦本身的优异抗性基因更容易转育和利用，因此在兼顾远缘杂交转育优异抗性基因的同时，加大优异抗源的引进力度，筛选和挖掘栽培品种和部分地方品种中的优异抗小麦白粉病基因，并通过与其他已知抗病基因聚合，从而有效抑制病原菌毒性群体频率的上升，对培育抗性品种具有更重要的意义。

评价小麦白粉病成株期抗性的指标主要有侵染型、严重度以及病情指数等，但是在具体评价时往往分时期分指标考虑，无法实现多时期多指标的综合评价。鉴于此，本研究在温室白粉病高选择压和自然侵染条件下，先后在抽穗期和灌浆期，对80份小麦材料的白粉病抗性情况进行调查记载，然后利用马氏距离及其聚类法对不同材料的抗性进行多生育时期和多指标的综合评价，以期筛选出优异的白粉病抗性资源。

1材料与方法

1.1材 料

供试材料共计80份，包括国外引进品种、国内育成品种(系)、国内地方品种及中国春非整倍体材料(表1)，分别由美国农业部、江苏省农科院和里下河地区农科所提供。所有材料种植于扬州大学农学院玻璃温室内，每份材料种植两行，每行种植15株，随机区组设计。

表1　80份材料的编号、名称、来源及各材料在本研究中的聚类组别

(续表1Continued table 1)

序号Entry名称Accession来源Source备注Comment组别Group54TXHT005F8.CS06/540.STA07/14美国 USA育成品系 Line155OK05122美国 USA育成品系 Line556苏麦1号 Sumai1中国 China育成品种 Variety557Sobakomugi1B日本 Japan地方品种 Landrace658Sobakomugi1C日本 Japan地方品种 Landrace159Asozairaiii日本 Japan育成品系 Line560Nyuubai日本 Japan地方品种 Landrace261Minamikyushu69日本 Japan地方品种 Landrace662Suwon92韩国 Korea地方品种 Landrace263Vilelasol阿根廷 Argentina育成品种 Variety664DT7DL澳大利亚 Australia中国春双端体 CSditelosomic365DEL7DL-4澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline266N7AT7D澳大利亚 Australia中国春缺-四体 CSnulli-terasomic267N7AT7B澳大利亚 Australia中国春缺-四体 CSnulli-terasomic268N7BT7A澳大利亚 Australia中国春缺-四体 CSnulli-terasomic269N7BT7D澳大利亚 Australia中国春缺-四体 CSnulli-terasomic270N7DT7A澳大利亚 Australia中国春缺-四体 CSnulli-terasomic471DEL7BL-10澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline272DT1BS澳大利亚 Australia中国春双端体 CSditelosomic273DT1BL澳大利亚 Australia中国春双端体 CSditelosomic274DEL3BS-2澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline275DEL3BS-3澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline276DEL3BS-4澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline377DEL3BS-5澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline478DT7AL澳大利亚 Australia中国春双端体 CSaneuploid279DT7AS澳大利亚 Australia中国春双端体 CSaneuploid280DEL7DL-8澳大利亚 Australia中国春缺失系 CSdeletionline2

1.2小麦白粉病的抗性鉴定

1.2.1侵染型(Infection type, IT)分级

分别在抽穗期和灌浆中期(花后15 d)记录倒1叶(D1)、倒2叶(D2)和倒3叶(D3)侵染型。记录时按照孢子堆的有无和大小，采用0～4级法，其中，0级为免疫(无肉眼可见孢子堆，有过敏或无过敏反应)，1级为高抗(孢子堆很小，孢子堆周围有失绿或坏死反应)，2级为中抗(孢子堆中等大小，孢子堆周围有轻微失绿反应)，3级为中感(孢子堆较大，孢子堆周围无失绿反应)，4级为高感(孢子堆很大，无失绿反应)[12]。

1.2.2严重度(Percentage of infected area, PIA)分级

根据孢子堆所占面积占调查D1、D2和D3面积的百分比进行估算，并按照以下等级定性评价。其中，0为免疫，0

1.2.3普遍率(Percentage of infected plants,PIP)计算

根据感病株数占该材料所有个体数的百分比进行计算。

1.2.4单指标权重法评价

调查D1、D2和D3的侵染型和严重度后，根据叶位的重要性赋以不同权重，然后分别计算单株在某一生育期的侵染型和严重度。评价值=0.5×D1+0.3×D2+0.2×D3。

1.2.5抗性综合评价

以1.2.4赋值后的数据(抽穗期侵染型和严重度，灌浆期侵染型和严重度)为对象，以表现免疫或抗性最好的品种为标准(对照)，采用马氏距离(Mahalanobis distances, MD)法，综合评价其他79份材料与对照的距离远近，从而评估材料的整体抗性表现。由于该法考虑了指标间的相关性，而无需考虑量纲(侵染型和严重度为不同量纲)和变异度大小(严重度变异度远大于侵染型)，因此评判比较客观。基于两个时期侵染型和严重度，计算各份材料间的马氏(平方)距离，依据组内(平方)距离最小法动态聚类将80份材料分类，获得这些材料白粉病抗性的关系信息。

1.3数据分析

供试材料侵染型和严重度分布图在Excel 2007中制作。基本描述性统计、Pearson相关性分析、方差分析、马氏距离计算、品种的相似性分析、聚类分析用Matlab软件(MathWorks Inc., Natick, MA, USA)进行分析或制作。

2结果与分析

2.1不同材料间的抗性差异

由于白粉病发病由基部向上，且由重到轻，顶部叶片发病越重，表明该材料的抗性越差，所以本研究以顶部3张叶片(D1、D2和D3)的发病情况综合度量材料的抗性。研究发现，不论在抽穗期还是灌浆期，材料之间的侵染型和严重度均存在极显著差异(P<0.01)(表2)。对于同一材料而言，不同叶位发病程度差异显著大于材料本身之间的差异(P<0.01)(表2、表3)，这种不同叶位的发病程度因材料而异，即材料与叶位互作间差异均达到极显著水平(P<0.01)。灌浆期各叶片的发病程度均高于抽穗期(表3)，但各叶位侵染型和严重度在抽穗期和灌浆期均呈极显著正相关(P<0.01)，但相关系数因叶位而异，D3抽穗期和灌浆期侵染型相关系数最大，D1抽穗期和灌浆期严重度相关性最高(表4)。

对不同发育阶段发病普遍率鉴定情况分析发现，除Capo在两个不同发育阶段的普遍率为0外，其余材料灌浆期感病普遍率均为100%。

表2　不同抗性指标在不同变异来源下的差异分析

**表示差异在0.01水平上显著

** represents the significant difference atP<0.01

表3　抗性指标在叶位间的多重比较

表中平均值后不同字母表示差异在0.05水平上显著

The different letters following the mean values indicate significant difference at 0.05 level

2.2单株特定时期不同叶位侵染型及严重度的综合分析

基于不同叶位对抗病性评价的重要程度，对D1、D2和D3的侵染型和严重度分别按照0.5、0.3、0.2进行权重赋值，即总体评价值=0.5×D1+0.3×D2+0.2×D3。就侵染型而言，抽穗期免疫、高抗、中抗、中感和高感材料分别占鉴定材料的4.82%、22.89%、18.07%、26.51%和24.1%；灌浆期免疫、高抗、中抗、中感和高感材料分别占鉴定材料的1.20%、10.84%、25.30%、24.10%和33.74%(图1)。就严重度而言，抽穗期免疫、高抗、中抗和中感材料分别占鉴定材料的6.02%、63.86%、21.69%和4.82%，而未发现高感材料；灌浆期免疫、高抗、中抗、中感和高感材料分别占鉴定材料的1.20%、31.33%、37.35%、22.89%和2.41%(图2)。就侵染型与严重度综合考虑，只有Capo为免疫材料；近免疫的材料为中国春及其非整倍体材料DEL7DL-4、N7AT7D、N7AT7B、N7BT7A、N7BT7D、DT1BS、DT1BL和DEL7DL-8，日本品种Tokai 66、Nyuubai和Nobeokabouzu Komugi，阿根廷品种Coop Capoildo以及韩国品种Suwon 92；高抗品种为我国地方品种火烧百日麦和洋辣子，以及日本品种Nobeoka Bozu和Asozairaiii。

表4　各叶位抗性指标在抽穗期与

**表示在0.01水平上显著相关

** represents the significant correlation at 0.01 level

图1　D1、D2和D3白粉病侵染型在抽穗期和灌浆期的综合分布

图2　D1、D2和D3白粉病严重度在抽穗期和灌浆期的综合分布

2.3基于侵染型和严重度的全生育期综合评价和聚类分析

以免疫品种Capo为对照，采用基于马氏距离的综合评价方法，分析各材料与对照之间的差异(距离)，实现了对品种的整体评价(表5)，距离(数值)越小，表明抗性越好。同时，基于马氏距离对80份材料进行聚类，结果共分为6类(表1)，其中第2类材料总体抗性最好(表6)，对照Capo也归到此类中，与对照Capo最为相似(即高抗)的材料有17个，包括Coop Capoildo、Nyuubai、Suwon 92和中国春及其非整倍体材料，抽穗期和灌浆期平均侵染型小于1，平均严重度小于10%，进一步表明中国春及其非整倍体材料为高抗水平。第4类材料抗性比较稳定，侵染型介于中抗水平，但严重度均维持在高抗水平(PIA<25%)。第3类材料在抽穗期平均严重度<10%，但是在灌浆期严重度急剧上升，由高抗转变为中抗。第5类材料严重度由抽穗期的高抗变为灌浆期中抗。因此第2类和第4类材料抗性较为理想和稳定，也是可以利用的类型。而第6类材料的12个成员白粉病抗性较差。

表5　79份材料分别与对照品种Capo之间的马氏距离

表6　不同组别的材料在两个生育期的侵染型和严重度

3讨 论

3.1不同品种的抗性差异

Lr34是小麦上克隆的广谱抗性基因，对小麦白粉病和锈病具有很好的抗性作用[7-9]。小麦品种中国春携带该基因[13]。Li等[14]报道宁7840的7D染色体上鉴定出一个主效抗叶锈QTL，该QTL与 Lr34位点重合，推测宁7840可能携带 Lr34，并且通过系谱分析和 Lr34标记的单倍型分析，推测该位点来自苏麦3号。在本研究中，中国春及其衍生的非整体材料N7AT7B、N7BT7A、N7BT7D、N7AT7D、DT1BS、DT1BL、DEL7BL-10、DEL7DL-8和DEL3BS-2均高抗白粉病，严重度在抽穗期和灌浆期均小于25%，但是宁7840在灌浆期中感白粉病(PIA=55.9%)，而苏麦3号(PIA=75.0%)及其亲本台湾小麦(PIA=91.3%)则高感白粉病。通过比较宁7840与携带 Lr34的品种白粉病抗性鉴定表明，宁7840 7D染色体 Lr34位点上携带的基因可能是 Lr34的有效等位变异，该基因保留了 Lr34对锈病的抗性，具有 Lr34典型的孢子分布的Z模式以及叶尖干枯特性(Leaf tip necrosis，LTN)[14]，但对白粉病无效。说明本研究对于理解 Lr34的有效等位变异及其功能具有重要的意义。当然也不排除宁7840 和苏麦3号携带白粉病抗性的抑制基因。DEL3BS-4和DEL3BS-5也是中国春衍生的片段缺失系，但这两个株系却中抗白粉病，推测这两个缺失区可能存在正调控白粉病抗性的基因。NIL-R75、NIL-R78以及NIL-S98是抗赤霉病位点 Fhb1的近等基因系，其白粉病抗性同轮回亲本，且在等基因系间无差异，因此 Fhb1位点对白粉病抗性无效。此外，宁7840携带小麦-黑麦T1BL.1RS易位系[15]，而1RS上携带白粉病抗性基因 Pm8[16]，但宁7840对白粉病在灌浆期中感，推测 Pm8基因对白粉抗性效应较小或无效。

3.2不同叶位权重法评价方法

对于小麦倒1、2、3叶的侵染型和严重度分析，发现小麦倒1、2、3叶的感病情况存在一定的相关性。在同一发育时期，下部叶片病害重于上层叶片。而且灌浆期病害严重度高于抽穗期。如果以特定位置叶片(如旗叶)的感病严重度和侵染型计算，则不利于品种抗性的整体评价，如果以多张叶片如倒1叶、倒2叶、倒3叶的感染情况分别进行评价，则评价结果繁杂混乱，若对倒1叶、倒2叶、倒3叶的感染情况根据重要性赋以不同权重，则能较好反映某一品种在特定时期的侵染型或严重度。上述赋权法针对一个品种单个发育时期和单个指标而言，但难以综合评价不同品种在不同时期在所有性状(指标)上的差异，特别是当调查的多个性状的量纲不同和方差不同质的情况，比如白粉病的侵染型和严重度，属于量纲不同且方差不同质。前者主要评价孢子堆的大小以及有无过敏反应，倾向于质量化评价，后者主要评价感染的严重程度，是典型的数量化评价，二者在许多情况下并不总是表现一致，后者的变异度远远大于前者。

3.3基于马氏距离的成株期多指标综合评价法的建立及其对育种的意义

侵染型和严重度是评价白粉病和锈病等病害的两个重要指标。而且由于病害在小麦的整个生育期都可能发生，小麦白粉病随时空不断发生变化[17-18]。现有的白粉病评价方法往往将不同指标、不同发育或鉴定时期进行单独评价或者定性描述，难以综合比较和定量化描述品种之间的抗性差异。而本研究基于马氏距离，把评价对象不同方面的多个指标的信息汇集成为一个综合指标，由此来反映被评价对象的整体情况，实现对多个生育期的多个指标进行综合评价和比较，有利于育种家掌握品种成株期整体抗性情况，给育种者提供比较全局的信息。

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Comprehensive Evaluation of the Resistance of 80 Wheat Accessions to Powdery Mildew Disease and Identification of Elite Resistant Germplasms under Greenhouse Conditions

LI Tao,LI Aiai,LI Lei,GU Shiliang

(Jiangsu Provincial Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology, Yangzhou University/Co-innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops/Key Laboratory of Plant Functional Genomics of Ministry of Education/Wheat Research Center, Yangzhou, Jiangsu 225009, China)

Abstract:To develop wheat cultivars with high resistance to powdery mildew disease, the main objective of this paper was to identify the wheat genotypes with immune or high resistance to the powdery mildew disease. We evaluated the powdery mildew resistance, at the heading and filling stages, of 80 wheat accessions including Chinese wheat landraces, Chinese commercial varieties, introduced varieties as well as aneuploid stocks of ‘Chinese Spring’ in greenhouse under heavy powdery mildew pressure that naturally occurred, and then comprehensively evaluated the disease resistances of all the varieties by integrating two different traits at both stages with the Mahalanobis distances method. The variety ‘Capo’ showed immune response to powdery mildew infection during the whole growing season. ‘Coop Capoildo’ and most ‘Chinese Spring’-derived aneuploids showed highly resistant responses. All the 80 accessions were classified into six groups according to the similarities of Mahalanobis distances to the reference. There were 18 accessions including most ‘Chinese Spring’ derivatives and ‘Capo’ in Group 2, which showed highly resistant responses with infection type <1.0 and the percentage of infected area < 10.0% across the two stages, suggesting the gene Lr34 conferring broad-spectrum resistance was very effective against the powdery mildew disease.

Key words:Wheat; Powdery mildew disease; Infection type; Severity; Mahalanobis distances; Comprehensive evaluation

中图分类号：S512.1；S332

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)04-0435-08

基金项目：国家自然科学基金项目(31270704)；江苏高校自然科学基金重大项目(12KJA210002)；江苏省高校青蓝工程创新团队项目；江苏省高校优势学科建设工程项目(PAPD)

收稿日期：2015-12-23修回日期：2016-02-18

网络出版时间：2016-04-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160401.1530.014.html

第一作者E-mail：taoli@yzu.edu.cn