小麦已知抗白粉病基因在甘肃省的有效性及其在抗病育种中的利用价值

王万军++曹世勤++王晓明++黄瑾++孙振宇++张勃+++贾秋珍++金社林

摘要：2007—2014年，对收集到的44份已知抗白粉病基因载体品种在甘肃省的不同生态区进行了成株期抗病性监测，结果表明：Pm1、Pm3、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8、Pm23、PmEra、Pm33在田间抗病性丧失，失去利用价值；Pm4a、Pm12、Pm13、Pm16、Pm18、Pm19、Pm2+Pm6、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8在各地田间抗病性分离，不宜应用或慎用；其余抗病基因（组合）在田间抗性表现较好，在今后的育种工作中应充分加以利用。本研究还对抗病基因的来源及抗病基因下一步有效利用等问题进行了讨论。

关键词：小麦白粉病；抗病基因；有效性；评价

中图分类号： S512.103.4；S435.121.4+6文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0187-03

收稿日期：2015-01-21

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201303016）；国家自然科学基金（编号：31360433）。

作者简介：王万军（1972—），男，甘肃甘谷人，助理农艺师，主要从事农作物病虫害防控技术研究。E-mail：843223350@qq.com。

通信作者：曹世勤，博士，研究员，主要从事农作物病虫害防控技术研究。E-mail：caoshiqin6702@163.com。由专性寄生菌布氏白粉菌[Blumeria graminis （DC.） E. O. Speer]引起的小麦白粉病是危害我国小麦的最主要病害之一[1]。从20世纪90年代初期开始，由于含有抗病基因Pm8的生产品种及抗源材料在生产及育种上的广泛应用，造成对Pm8有毒性的Avr8在白粉菌群体中逐渐占据优势地位，引致携带黑麦血缘（1BL/1RS）的品种在生产上丧失抗白粉病性，导致小麦白粉病于1990年和1991年连续2年在全国范围内大面积发生[2]。在甘肃省及天水市，该病也先后多年发生流行[3-4]，造成了严重的产量和经济损失。目前在甘肃省小麦白粉病常年发生面积保持在40.0万hm2以上，严重威胁着小麦生产的稳定发展。

采用化学防治措施虽然在短期内可取得较好的效果，但浪费了巨大的人力、物力和财力，而且对环境还将会造成一定的污染。多年的研究结果发现，种植抗病品种是防治该病最经济有效且有利于保护环境的措施。在抗白粉病基因有效性研究方面，自20世纪90年代始，国内诸多学者开展了已知基因载体品种抗病性评价工作，明确了已知基因在当地的有效性[5-9]。由于各地小麦白粉病菌群体毒性结构复杂，病菌群体毒性基因的组成在各地具有较大差异[10]，因此抗病基因在各地的田间抗病性表现也不尽相同。甘肃省于20世纪末开展了已知基因有效性评价工作[5]，但从近年来病菌群体毒性结构看，由于抗源材料和生产品种在生产上应用的变化，引致病菌群体也较原来有了一定程度的变化。进一步明确已知基因载体品种的有效性，特别是成株期有效性，将会指导其在抗病育种上的有效利用，体现其在抗病育种中的利用价值，为有效指导抗白粉病育种和抗病基因的合理布局，持续控制甘肃省小麦白粉病的发生流行提供技术支撑。

1材料与方法

1.1供试材料

44个已知抗白粉病基因载体品种来自甘肃省农业科学院植物保护研究所小麦病害课题组，其所含抗白粉病基因见表1。

1.2试验方法

自2007年开始，在甘肃省不同生态区的甘肃省农业科学院植物保护研究所甘谷试验站（海拔1 270 m，A）、甘谷县新兴镇五甲庄铁路南（海拔1 270 m，B）、甘谷县白家湾乡东三十里铺村（海拔1 680 m，C）、甘谷县古坡乡魏家坪村（海拔 1 920 m，D）、天水市秦州区汪川良种场（海拔1670 m，E）、陇南市成县农业技术推广中心（海拔1 220 m，F）、陇南市武都区东江陇南市农业科学研究所（海拔980 m，G）、定西市临洮农业学校（海拔1880 m，H）、临夏州农业科学研究所（海拔 2 060 m，I）、平凉市庄浪县农业技术推广中心南湖试验站（海拔1 790 m，J）、平凉市静宁县种子管理站（海拔1 850 m，K）和白银市景泰县草窝滩镇长城村（海拔1 420 m，L）等12个试验点设置病圃。各试验点中，A、B、F、G试验点代表甘肃陇南麦区低海拔川道区，C、E试验点代表甘肃陇南麦区半山区，D试验点代表甘肃陇南麦区高山区，H、I试验点代表甘肃中部麦区冬春麦混作区，J试验点代表甘肃陇东干旱麦区，K试验点代表春季播种区。

冬季播种于每年9月中旬至10月下旬在各试验点进行，春季播种于当年3月中旬进行。每品种每试验点播种1行，行长1 m，行距30 cm，每20行种植1行感病品种辉县红或Chancellor作为发病对照，病圃四周再播种2～3行感病品种作为保护行和诱发行，于当年小麦白粉病发病的高峰期（5月中旬至7月上旬），按照0～9级标准[11]，进行逐品种调查记载。其中0级为免疫；1～2级为高抗，3～4级为中抗，5～6级为中感，7～8级为高感，9级为极感。

1.3数据分析

为分析方便，按照0和1标准，将田间病级0～4级划分为0，5～9级级划分为1。利用Excel 2003和DPS 3.01软件，进行系统聚类分析。

2结果与分析

2.1田间抗病性评价

由表1结果可见，Pm1、Pm3、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8、Pm23、PmEra、Pm33在甘肃各地田间总体抗病性较低，失去利用价值。Pm4a、Pm12、Pm13、Pm16、Pm18、Pm19、Pm2+Pm6、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8在甘肃陇南、中部、陇东干旱麦区及沿黄灌区春麦区田间抗病性差异较大，部分基因（组合）在当地抗病性相对较低，对其的利用要针对当地抗病性进行。其余基因（组合）抗病性较好，可在育种及生产中充分利用。

2.2聚类分析

由图1结果看出，在λ=0.85时，将已知基因载体品种划分为2个大的类群，其中感病点率≥4为一类群，感病点率<4为另一类群。在λ为0.8以下时，又划分为多个小的类群。

3结果与讨论

3.1抗病基因来源

截至目前，国际上已先后命名了60个小麦白粉病抗性基因（包括复等位基因），还有20余个尚未命名的新基因。在这些基因中，一类来自普通小麦，主要有Pm1、Pm3、Pm5、Pm9、Pm10、Pm11、Pm14、Pm22、Pm23、Pm24等；一类来自小麦近缘种，如栽培（野生）一粒小麦、斯卑尔脱小麦、栽培（野生）二粒小麦、波斯小麦、提莫菲维小麦等，主要有Pm1b、Pm1d、Pm4a、Pm4b、Pm6、Pm16、Pm18等；第3类来自小麦近缘属如黑麦、拟斯卑尔脱山羊草、高大山羊草、粗山羊草、簇毛麦等，主要有Pm7、Pm8、Pm12、Pm13、Pm20、Pm21等。在这些已定名的、在国内有大量种质材料的基因载体品种中，Pm9没有单独的载体，Pml0，Pmll、Pml4和Pml5是抗偃麦草白粉病的专化抗性基因，不抗小麦白粉病，在生产上没有利用价值，Pml7抗谱狭窄，利用价值不大。

3.2热门抗病基因在抗病育种中的应用及在病害流行中的风险

小麦白粉病菌具有有性生殖阶段，且病菌适应范围广，因此病原菌毒性群体结构丰富，毒性变异快。在生态条件和温湿度条件适合的甘肃陇南，白粉病菌毒性变异更是如此。如自20世纪80年代中期开始含有黑麦血缘的骨干抗源材料牛朱特、高加索、阿芙乐尔和洛夫林在甘肃陇南抗病育种中的广泛利用，引致对Pm8有毒性的Avr8毒性频率的快速上升，造成含有这些骨干亲本血缘的子代材料抗病性丧失，造成小麦白粉病的大流行。自20世纪90年代中期以来，由于来自簇毛麦血缘的、以南农92R为代表的、对国内诸多白粉病菌均表现免疫的Pm 21在抗病育种中的广泛利用，国内育种单位以此为骨干亲本，先后选育出兰天24、兰天17、中梁29、内麦9号、内麦10 号、内麦11号等多个品种，在生产上广泛应用。热门抗源材料的过度利用或其衍生材料的大面积推广种植，必将加速白粉病菌定向选择的部分，产生对该基因有毒性的新的白粉病菌致病菌系，导致抗病基因抗性丧失而失去利用价值。同时对含有这些基因的生产品种造成巨大威胁，有可能引致小麦白粉病再一次在甘肃省及全国范围内的大流行。近年来的监测结果发现，甘肃省小麦白粉病菌对Pm21的毒性频率已由20世纪初的0上升为2009年的20.8%。这与育种及生产上大面积推广种植含有这些抗病基因的品种（系）有很大关系。因此若条件适宜，小麦白粉病必将在甘肃省及全国范围内大面积流行，应引起育种和生产部门的高度关注。在今后的工作中，应进一步加强抗白粉病的育种和抗病品种推广工作，充实甘肃省抗病基因丰富度和抗病品种遗传多样性，以解除潜在的危机[12]。

同时研究发现，近年来由于抗源及种植品种的改变，造成甘肃部分抗病基因（组合）Pm4a、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8等抗病性变异明显[5，13]，由原来的抗病变为当前感病，逐步失去利用价值。

多基因组合品种对于小麦白粉病的防治十分有效，进行抗病基因的有效聚合，将会延长品种使用年限，提高抗病基因（组合）的利用价值。如Bennet研究发现，Maris Huntsman（Pm2+Pm6）在英国种植多年，抗白粉病仍然保持较好，就是一个很好的例证[14]。因此育种部门应尽可能利用抗源材料通过基因累加，尽快将抗谱上互补的基因进行聚合，同时借助分子生物学技术，进行辅助育种，才有望培育出较为持久的抗性品种。

3.3成株期多年多点鉴定在抗病基因利用中的作用

已有研究结果发现，甘肃生态条件复杂，各生态区病菌毒性结构不一。因此仅在一地或单年进行抗病性变异监测，不能准确评价抗病基因的抗病性状况，同时不能准确、及时地监测到品种抗性变异信息。不能及时指导抗病品种及抗源材料利用，对指导抗病育种工作和抗病品种的合理布局不能起到较好的指导意义。

3.4 抗病性监测与聚类分析相结合在生产实践中的意义

本试验将基因抗病性监测与聚类分析相结合，可更好地评价基因的有效性。为丰富和实现甘肃省小麦品种抗白粉病基因的多样化，生产和育种中可依据供试品种（系）连锁距离的不同，在不同生态区进行品种合理搭配、布局并进行抗病育种，为小麦白粉病的持续控制和抗病品种的更好利用打下良好基础。

参考文献：

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[10]段霞瑜，周益林，盛宝钦. 我国主要麦区白粉菌毒性现状[M]. 北京：技术出版社，1998：246-249.

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[14]Bennet F G A.Resistance to powdery mildery in wheat：a review of its use in agriculture and breeding programes[J]. Plant Pathology，1984，33：279-300.