ICARDA小麦种质抗条锈资源筛选和抗病基因分析

戴妙飞，穆京妹，王晓婷，王琪琳, 余世洲， 黄 硕，曾庆东，吴建辉，刘胜杰， 聂小军，康振生，韩德俊

(1.西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100;2.西北农林科技大学农学院， 陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学植物保护学院，陕西杨凌 712100)

小麦条锈病是由条形柄锈菌侵染引起的气传性叶部病害，在流行年份可使小麦减产25%，甚至导致绝收，威胁小麦的安全生产[1]。培育种植抗病品种是控制小麦条锈病最经济有效的措施。条锈菌小种变异会产生新致病性小种，进而导致抗病性品种极易丢失抗性，这是造成小麦条锈病大流行的主要原因[2]。在2000-2012年间，CYR32、CYR33成为最流行的毒性小种[3]，其对很多小麦抗源具有毒力。继CYR32、CYR33之后，CYR34成为新的流行性小种[4]。目前，CYR34已经逐渐传播到中国小麦主栽区，威胁到小麦安全生产[5]。中国小麦条锈菌的毒性多样性使新抗源筛选显得尤为紧迫和重要[6]。引进并合理利用国外种质资源是抗病育种的有效途径[7]。从国外引进抗病资源或转育利用小麦近缘属种的抗源，可丰富中国生产品种的抗病基因库[8]。本课题组于2016年从总部设在叙利亚阿勒颇(Alepo)的国际干旱地区研究中心(International Centre for Agricultural Research in Dry Areas，ICARDA)获得一批小麦材料。该地区的麦类种质资源具有农艺性状优良、抗病、抗热、抗旱等特点，进一步对其进行抗病性鉴定和筛选可获得抗病优异种质资源，以促进中国小麦育种。本研究对203份ICARDA高代系材料进行成株期和苗期抗条锈病鉴定和基因分析，以期从中筛选出对当前中国流行小种表现稳定持久抗性的材料，丰富抗源，促进小麦抗条锈病育种。

1 材料方法

1.1 试验材料

供试的203份ICARDA小麦种质材料由西北农林科技大学宋卫宁教授提供。已知抗条锈病基因的单基因系或载体材料由美国华盛顿州立大学陈贤明教授馈赠。感病对照品种Avocet S (AvS)由澳大利亚悉尼大学McIntosh教授提供。供试的条锈菌生理小种CYR32、CYR33和CYR34由西北农林科技大学小麦锈病研究室经单胞分离并由鉴别寄主鉴别后，对单胞菌系扩繁获得。

1.2 试验方法

1.2.1 小麦条锈病鉴定

2016-2018年在陕西杨凌西北农林科技大学试验站的条锈菌病圃，采用人工混合小种进行小麦成株期抗病性鉴定。于三月中旬小麦拔节初期，诱发行采用矿物油喷雾法接种条锈菌混合小种CYR32/CYR33和CYR34。于4月下旬至5月中旬，铭贤169充分发病后，调查小麦成株期发病情况。按照0～9级标准记载反应型和12级标准记载严重度[9-10]。将反应型分为四个级别：0～3为抗病(resistance, R)，4～6为中抗(moderate resistance, MR)，7为中感病(moderate susceptible, MS)，8～9为感病(susceptible, S)[11]。另外，于2018年分别在甘肃天水(五月中旬至六月中旬)和四川江油(四月上旬至5月上旬)进行成株期田间自然发病圃的抗病性鉴定，均于感病对照品种充分发病后进行三次调查，鉴定标准同上。

苗期分小种鉴定于2018年10-12月在西北农林科技大学植物病理研究所东南窑温室进行。将感病对照铭贤169和供试材料催芽后种植，麦苗长到二叶期时，按1∶50将条锈菌夏孢子与滑石粉均匀混合，用抖粉法分别接种条锈菌CRY32和CYR34。感病对照充分发病时进行鉴定，每隔3 d重复调查一次,记载反应型,共调查三次。

1.2.2 分子标记检测

用改良CTAB法[12]提取DNA，选择已经开发的抗病基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26的分子标记进行基因检测。标记见表1。

2 结果与分析

2.1 小麦种质材料的成株期抗病性表现

2016-2018年，对203份材料在病圃人工接种混合小种后，有121份材料表现出稳定的成株期抗病性，剩余的82份材料表现感病。2018年在甘肃天水条锈菌越夏区和四川江油条锈菌冬繁区自然诱发条件下，分别鉴定出抗病材料170和179份，感病材料32和24份。人工接种鉴定和自然诱发鉴定结果的差异可能原因是接种的混合小种毒性强且毒性谱宽，而且人工接种保证了条锈菌的发病条件，有利于条锈菌侵染感病。通过综合分析，在这两种条件下成株期表现稳定抗病的材料共107份，占材料总数的52.7%。

表1 小麦抗条锈病基因的分子检测标记Table 1 Molecular markers for the resistance genes to stripe rust

2.2 小麦种质材料的苗期抗病性表现

苗期接种后，感病品种铭贤169对CYR32和CYR34均表现高度感病(反应型为9)。Yr5和Yr15单基因系对两个小种都呈现高度的抗性(反应型为0)，Yr9、Yr17、Yr18单基因系对两个小种都表现感病(反应型为9)，Yr10和Yr26单基因系对CYR32表现抗病(反应型为2)，却对CYR34表现感病(反应型为9)。成株期表现稳定抗病的107份材料中, 对当前流行小种具有苗期抗病性的材料共31份，其中对CYR32具有抗性的有3份，对CYR34具有抗性的共计29份，对CYR32和CYR34 都具抗性的为1份(表2)。

表2 ICARDA小麦抗源材料抗病性表现及分子检测结果Table 2 Performance of resistance to stripe rust and the molecular detection in disease-resistant wheat materials from ICARDA

(续表2 Continued table 2)

编号Number小麦材料Wheat material苗期反应型Seedling infection typeCYR32CYR34成株期抗病表现Infection type and disease severity at adult plant stage人工接种(杨凌)Artificial inoculation(Yangling)201620172018自然发病Natural induction天水Tianshui江油Jiangyou病评价Resistanceevaluation检测基因Detected Yr genes53ICARDA-04399MR20MR20R5R10R5APRII9+1854ICARDA-04699R1R1R10MR20R10APRII9+1755ICARDA-05399R10R10R5MR20R5APRII1856ICARDA-05599R1R1R5MR20R5APRII17+?57ICARDA-05699MR10MR10R5R10R1APRII9+?58ICARDA-05799MR50MR50R10MR20R10APRII9+?59ICARDA-05899R1R1R10MR10R5APRII17+?60ICARDA-07199R1R1R5MR10R1APRII?61ICARDA-07299-MR50R5MR20R5APRII17+?62ICARDA-07699R5R5R5MR10R1APRII17+?63ICARDA-07799R10MR20R5R10R20APRII1864ICARDA-07999R10MR10R5R10MR10APRII17+?65ICARDA-08199R20MR20R10MR20MR20APRII9+1866ICARDA-08699R1R1R10MR10R1APRII17+?67ICARDA-09299MR10MR10MR20R5MR5APRII17+?68ICARDA-10099R5R5R5R10R1APRII1869ICARDA-10799MR20MR20R20R10R1APRII9+1870ICARDA-10899R10R10R5MR10R5APRII?71ICARDA-11099R10R5R5MR10R10APRII1872ICARDA-11397R10R10R5MR10R5APRII9+1873ICARDA-11497MR30MR30R5MR10R1APRII9+1874ICARDA-11599R10R10R5R10R1APRII9+1875ICARDA-11999R5R5MR10R10R5APRII17+1876ICARDA-12499R5R10MR20MR20R10APRII9+?77ICARDA-13297R0R0MR10MR20R1APRII17+?78ICARDA-13799R20MR50R10R20R5APRII9+1879ICARDA-13897R1R5R5R5R1APRII9+1880ICARDA-13999MR20MR50R10MR10R5APRII?81ICARDA-14099R30MR30R5MR10R5APRII?82ICARDA-14197R1R1R5R5R5APRII17+?83ICARDA-14299R5R5MR20R5R5APRII17+?84ICARDA-14699R5R5R1R5R1APRII9+1885ICARDA-14999R1R1R1R5R1APRII1886ICARDA-15099R20R40R10R10R5APRII?87ICARDA-15397R30MR30R10R5R1APRII?88ICARDA-15497MR30MR30R5R10R5APRII9+1889ICARDA-15597R0R1R1R5R1APRII9+1890ICARDA-15799R10MR20R5R10R1APRII9+?91ICARDA-15899MR30MR30R5R5R5APRII9+1892ICARDA-15999R10R10R5R5R5APRII9+1893ICARDA-16099R20R20R1R10R5APRII9+1894ICARDA-16197R10R10R1R5R1APRII9+1895ICARDA-16299R10MR30R5R5R5APRII9+1896ICARDA-16399MR20MR40R5R5R5APRII9+1897ICARDA-16598MR20MR20R5R5R5APRII9+1798ICARDA-16897R10R10R10R5R1APRII9+1899ICARDA-17099MR60MR60R10R10R5APRII?100ICARDA-17199R30MR40MR10R5R5APRII?101ICARDA-17299R10R20R10R1R5APRII9+?102ICARDA-18397R20MR40R10R5MR10APRII17+?103ICARDA-18699R5R5MR10R5R5APRII9+18104ICARDA-18799R5R5R10R5MR10APRII9+18105ICARDA-19299R20R20R5R10R10APRII18106ICARDA-19399R10R10R5R5R10APRII18107ICARDA-19799R1R1R5MR10R5APRII18

R:抗病;MR:中抗;MS:中感;S:感病;抗病类型后的数字代表严重度;APRI:苗期对参试小种表现抗病的成株抗病类型;APRII:苗期对参试小种表现感病的成株抗病类型;?:未检测或未知基因。

R:Resistance; MR:Middle resistance; MS:Middle susceptible; S:Susceptible;Thedigitalsafter the letters of resistance types indicate the severity of materials. APRI:Types of disease resistance in adult stage with simultaneous seedling resistance; APRII:Types of disease resistance at adult stage susceptible to seedling disease; ?:Undetected or unknown genes.

2.3 小麦材料的抗条锈病基因分析

采用已开发出的抗病基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26的分子标记，对具有稳定成株抗性的107份材料进行基因检测，并结合抗谱分析推测其可能携带的抗病基因。结果表明，这些材料中，51份材料含有Yr9，2份材料含有Yr10，30份材料含有Yr17，56份材料含有Yr18，几种基因以单独或组合的方式存在。在这些材料中没有检测到Yr26，也没有检测到对我国当前流行小种仍具有专化抗性的Yr5和Yr15。另外，Yr9和Yr17已对当今流行小种不具有抗性，但在14份和18份材料中分别单独存在这两种基因，这些材料的成株期抗性是否因为其含有其他未检测到的新基因或基因组合，有待进一步的验证。Yr18是一个“一因多效”具有持久抗性的慢锈型基因，将其与具有加性效应的微效基因结合在一起时能产生较高水平的抗性。在所检测到的56份材料中，Yr18除单独存在外，还以Yr9+Yr18、Yr17+Yr18、Yr9+Yr17+Yr18等多个基因聚合形式存在。有12份未检测到任何基因，其可能含有未知的抗病基因，有待进一步遗传分析。

3 讨 论

小麦抗源的筛选鉴定是培育抗病品种的基础。国内外在条锈病抗源收集、鉴定和新基因发掘等方面开展了大量研究，并取得了一系列重要研究成果[24-28]。截止2019年4月，国际上正式命名的抗条锈基因已有80多个(Yr1～Yr81)[29]。通过对国外引进小麦种质材料的抗病性鉴定，筛选对当前小麦条锈病菌流行小种的有效抗源，可有效缓解因条锈病源菌新毒性菌系的不断变异和发展及原抗病品种抗性“丧失”所带来的小麦抗病育种压力。ICARDA研究的重点地区为处在干旱条件下的西亚和北非，其育成的麦类品种难以直接应用在我国主要麦区生产，但可作为种质资源进行新基因挖掘[30]。本研究作为初步的筛查工作，从203份ICARDA小麦种质中选出107份对当前流行频率最大的CYR34和CYR32以及在春秋季菌源繁育基地自然发病圃中表现成株期抗性的材料。对这批材料的主要农艺性状表现需要做进一步的调查和分析。

我国小麦条锈病抗源的使用主要是集中在为数不多的具有专化抗病基因的苗期抗病材料上，存在着难以直接应用于品种改良和抗病基因“兴衰周期”的问题[31]。目前，由于CYR34的流行，广泛使用的Yr26等抗病基因正处于抗性丧失之中，仍具抗性的基因仅有Yr5、Yr15和Yr61[32]。本研究结果表明，107份具有稳定成株期抗性的抗病材料中，95份携带已知抗条锈病基因或基因组合，主要包括Yr9(51份)、Yr10(2份)、Yr17(30份)、Yr18(56份)。值得关注的是，有些已知基因组合的材料的抗病性明显提高，如Yr9+Yr17和Yr9+Yr18类型，意味着多基因聚合育种在某种程度上是有效的。未检测到携带Yr5、Yr15、Yr26的抗病材料；12份抗条锈性表现良好的材料未检测到任何基因，推测其可能携带如Yr30等目前尚未开发出良好筛查标记的已知基因，或者携带新的抗病基因。因此应加强抗病基因功能标记开发工作，增加抗病基因分子检测的数目，使基于标记筛查的抗病基因分析更为精准。在挖掘具有专化性的主效基因赋予抗性的抗源材料的同时，国内外学者不断拓宽抗源范围，加强成株期抗病性、慢锈性、持久抗性的研究力度[33]。李孟凯等[34]已通过将Yr10、Yr18和Yr36基因转育并聚合在小麦主栽品种中，从而获得良好种质资源。探索赋予此类抗病性的抗病基因数目或组合方式，以期让育种家看到实现培育“一劳永逸”的持久性抗病品种的可能性，不再经历抗病良好的品种面临抗性“周而复始”的丧失的厄运。