黄淮麦区小麦新品种(系)抗条锈水平与抗病基因分析

蔚 睿，金彦刚，吴舒舒，吴建辉，王琪琳,曾庆东，刘胜杰，夏中华，王晓静，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.江苏瑞华农业科技有限公司，江苏宿迁 223800;4.西北农林科技大学植物保护学院，陕西杨凌 712100)

小麦条锈病是世界性重要真菌病害，可造成小麦10%～30%产量损失，严重时甚至导致绝收[1-2]，是我国黄淮等麦区小麦主要病害之一，影响我国农业的可持续发展和粮食安全生产[3-4]。推广和种植抗病品种是防控该病害最有效且环境友好的措施。然而，病原菌毒性频繁变异，常导致小麦品种抗病性“丧失”。自2000年以来，条中32(CYR32)和条中33(CYR33)成为我国小麦条锈菌最主要的流行小种，它们已克服大部分抗病基因，如Yr1、Yr2、Yr3、Yr4、Yr7、Yr9、Yr17、Yr27、Yr31、Yr41、YrSu等[5]，特别是2010年以来，新兴小种条中34(CYR34)逐渐上升为当前流行频率较高的小种，其毒力谱在CYR32和CYR33基础上又增加了对Yr10、Yr24/Yr26、YrZ4等基因的致病性，毒力更为广泛[6]。最新报道，在天水地区田间已经发现对Yr5基因产生致病性的小种[7]。在抗病育种实践中，单一抗源或抗病基因大规模的使用容易导致品种抗性快速丧失，从而引起条锈病的大爆发流行[2]，因此，准确评估抗病品种或后备品系的抗病基因组成是抗病基因合理布局和利用的基础。为此，本研究针对2017-2019年度黄淮麦区小麦育种联合体参加区试的150份小麦品种(系)材料，进行两年三地的成株期抗条锈性鉴定，同时进行室内苗期分小种鉴定，结合抗病基因分子检测，鉴定其抗病性水平和抗病类型，分析携带何种抗条锈病基因，以期为这些材料在未来生产上推广应用、小麦抗条锈育种及抗病基因合理使用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料主要为参加2017-2019年黄淮麦区区试的150份小麦品种(系)(部分已通过品种审定)，由江苏瑞华农业科技有限公司提供。抗条锈单基因系和国外鉴别寄主由美国华盛顿州立大学陈贤明教授惠赠。

供试的条锈菌生理小种CYR33由甘肃省农业科学院植物保护研究所曹世勤研究员提供；CYR32和CYR34为本实验室经单胞分离并由鉴别寄主鉴别后隔离繁殖。

1.2 试验方法

1.2.1 小麦条锈病鉴定

于2017-2018和2018-2019年两个小麦生长季，在杨凌设置人工接种病圃，在甘肃天水和四川江油分别设置自然诱发病圃，进行成株期抗病性鉴定。参照文献[8]方法，杨凌人工病圃于3月下旬喷雾接种条锈菌混合小种(CYR32、CYR33和CYR34)于诱发行。分别于4月中旬、5月初和5月下旬，调查江油、杨凌和天水病圃参试材料发病情况。参照文献[9-10]的方法，按0～9级标准记载反应型(infection type，IT)，其中0～3级为高度抗病(resistant,R),4～6 级为中度抗病(moderate resistant,MR),7级为中度感病(moderate susceptible,MS),8～9 级为高度感病(susceptible,S)。按叶片病斑面积比例记录严重度。参照文献[9，11]，总体上以反应型低于6级及严重度低于60%作为成株期抗性(adult plant resistance,APR)评价标准；慢锈性(slow rusting,SR)以反应型高于7级及发病病程缓慢作为评价依据。参照文献[9-10]方法在温室进行苗期分小种鉴定，同样按0～9级标准只记载反应型，以铭贤169作为感病对照。

1.2.2 抗病基因的分子检测

按文献[10,12-13]方法和标记信息，采取温室生长下两叶期的幼叶(2 cm)，利用改良的CTAB法进行DNA的提取，并进行1.5%琼脂糖凝胶电泳的检测，之后利用Yr5[14]、Yr7[15]、Yr9[16]、Yr10[17]、Yr17[18]、Yr18[19-20]、Yr26[21-22]和YrSP[15]等已知抗病基因的分子标记进行分子检测。

2 结果与分析

2.1 小麦抗条锈性鉴定结果

分别于2017-2018和2018-2019两个小麦生长季进行成株期抗条锈病鉴定，综合两年成株期试验结果，以最高发病等级评价小麦抗病性。150份小麦材料成株期鉴定结果显示，在杨凌人工病圃中，分别有40份、22份和88份材料表现为感病(包括高感和中感)、慢锈和抗病(包括高抗和中抗)，分别占总材料数的26.7%、14.7%和 58.7%；天水自然诱发病圃中，分别有64份、34份和52份材料表现为感病、慢锈和抗病，分别占总材料数的42.7%、22.7%和34.7%；江油自然诱发病圃中，分别有7份、8份和135份材料表现为感病、慢锈和抗病，分别占总材料数的4.7%、5.3%和90.0%。整合三地鉴定结果，在三病圃中都表现为成株期抗病和慢锈的材料分别有47和31份(表1)，分别占31.3%和20.7%。

在温室条件下，苗期分小种抗病鉴定结果表明，150份材料中，分别有49份、51份和37份苗期对条锈菌生理小种CYR32、CYR33和CYR34表现出抗性(IT≤6)，分别占总材料数的32.7%、34.0%和24.7%，但未发现对三个流行小种同时表现抗病的材料。

综合苗期和成株期抗病性表现，150份黄淮麦区参试材料中，既没有对当前流行小种全抗的材料，也没有全生育期抗病的材料。

2.2 小麦抗条锈基因的检测结果

利用已开发的主效抗病基因Yr5、Yr7、Yr9、Yr10、Yr17、Yr18、Yr26和YrSP的分子标记对全部参试材料进行分子检测，并结合表型反应进行综合分析(部分结果列于表1)。在150份参试材料中，有11份检测到含有Yr7(占 7.3%)，104份检测到含有Yr9(占69.3%)，13份检测到含有Yr17(占8.7%)，5份检测到含有Yr18(占3.3%)，10份同时检测到含有Yr9和Yr17(占6.7%)，3份同时检测到含有Yr9和Yr18(占2%)，2份同时检测到含有Yr9、Yr17和Yr18(占1.3%)，同时检测到含有Yr7和Yr17、Yr7和Yr9、Yr9和YrSP的各有1份(分别占 0.7%)，未检测到含有Yr5、Yr10和Yr26的 材料。

表1 部分具有不同类型抗病性小麦材料及其基因检测结果

3 讨 论

3.1 黄淮麦区当前审定的小麦品种抗条锈水平整体提高

黄淮麦区是中国最重要的小麦产区，也是小麦条锈病最主要的春季流行区。该麦区小麦品种是否具有高水平抗锈性，关系到当地小麦安全生产。准确评价小麦新品种(系)抗条锈病水平，不仅为小麦病害预测预报和精准防控提供准确信息，而且对小麦开展预见性抗病育种和抗病基因布局提供依据。大约10年前，该麦区小麦品种中具有抗条锈的不足10%[23-24]。本研究对近年黄淮麦区审定或正在审定的150份小麦品种(系)成株期和苗期的鉴定结果表明，超过30%的参试品种(系)在三地都具有较稳定的成株期抗病性，另外超过20%的品种(系)具有慢锈性，因其是多个Yr基因聚合，因此具有一定的生产利用价值[19]。特别是在杨凌人工病圃(包含了CYR32、CYR33和CYR34)中，58.7%的品种(系)具有成株期抗病性，14.7%品种(系)具有慢锈性。需要说明的是，相对于自然发病圃，杨凌人工病圃虽然发病充分，但不能完全模拟自然条件。因为从病原菌群体组成上看，结构较为单一，这造成了品种(系)中抗病比例较高。不过我们在人工病圃中使用的是当前中国最为流行且占主要比例的三个条锈菌小种，品种(系)仍对其呈现良好抗性，且与10年前研究结果相比[24]，抗病品种比例有了较大提高，说明近年来各育种单位对小麦条锈病抗性育种的重视程度和成效都有较大改进。

3.2 抗病基因合理利用问题

抗病基因赋予小麦品种抗病性，抗病基因的合理利用，是保持抗病性的有效性和持久性的关键。目前，国内外已定名出80余个抗条锈病基因，鉴定出200余个抗病QTL[25]。其中哪些抗病基因/QTL已应用到中国小麦育种中?黄淮麦区小麦品种又用了哪些?该区小麦品种是否携带尚未发现的抗病新基因? 明确这些问题，将有助于我国小麦抗病基因的合理利用。本研究利用已知抗病基因的分子标记对150份参试小麦品种(系)进行分子筛查，并结合苗期和成株期抗病性鉴定结果，对参试材料进行抗病基因分析。结果表明，在150份参试材料中，104份检测到含有Yr9，5份材料含有Yr18，13份含有Yr17。未检测到携带Yr5、Yr10和Yr26的抗病材料。

于上世纪50年代创制的小麦1B/1R易位系，由于携带Yr9/Pm8/Lr26/Sr31抗病基因复合体，对锈病、白粉等多种病害具有良好抗性，因此在世界多地快速传播和利用。随着新毒性小种产生，Yr9抗性逐渐失去作用[26-27]。此外，Yr17来源于偏凸山羊草属的2NS/2AL易位系，该片段上也发现很多抗病位点，Yr17单独存在下已对部分中国条锈小种丧失抗性。然而，一些研究表明，Yr17或者包含Yr17的基因组片段并未完全丧失抗性作用，与其他位点聚合时仍呈现良好抗性。如Liu等[28]发现，在小麦品种Madsen中含有Yr17的染色体片段对北美的条锈菌小种仍起抗病作用；Wang等[29]对河南的两个抗条锈品种孟麦58、淮阳1号进行抗病基因定位时发现两者都含有Yr17，通过分子标记检测和系谱分析发现部分黄淮品种都含有这个位点；而本实验室前期对陕西区试品种(系)进行抗条锈病基因分子检测发现大部分也含有Yr17[30]。在本研究中很多抗病品种(系)携带Yr17，且大部分是以基因聚合的形式存在，如Yr17+Yr18等，这与前人的结果基本一致。含有Yr17的染色体片段通过基因聚合能够实现小麦品种的广谱抗病性。此外，研究还发现，大量抗病性表现良好的品种(系)中，存在众多未知Yr基因。一方面是由于目前开发的可检测已知Yr基因的标记数量和检测效率有限，尚无法逐一回答抗病品种携带何种抗病基因或基因组合，另一种可能是，参试品种(系)中，存在抗条锈病新基因，但这些都需要进一步的遗传学研究方法来确认。

因此，在今后抗源发掘与利用研究中，一方面加强新抗源的鉴定和转育，同时结合新技术，运用分子标记辅助选择育种和基因编辑等技术，加快育种进程，创制具有持久、广谱抗性的小麦材料[31-32]。随着小麦参考基因组序列的公布，高通量测序技术、新型分子标记技术的发展，为新的抗病位点的挖掘与导入增加了可能性。

4 结 论

黄淮麦区近年审定的小麦品种(系)整体抗锈病水平较10年前有较大提高；通过基因聚合是品种抗病性提高的主要原因；同时可能存在尚不能检测的Yr基因或新基因。在今后的育种过程中，在筛选鉴定新抗源时，应同步加强抗病新基因辅助选择标记的开发，以提高基因聚合育种的效率，培育持久、广谱抗性品种。