小麦抗赤霉病外源种质的创制和育种利用

肖进，程怡璠，宋融融，孙丽，王宗宽，袁春霞，王海燕，王秀娥

南京农业大学农学院，现代作物生产省部共建协同创新中心，作物遗传与种质创新国家重点实验室，南京210095

小麦赤霉病（Fusarium head blight）是影响小麦产量和品质的世界性病害，在小麦全生育期均可发病，尤以小麦扬花后造成的穗腐危害最为严重。小麦赤霉病发病后不仅导致小麦产量和品质直接下降，受害籽粒皱缩干瘪，成熟后籽粒呈灰白色或紫红色，内含大量的霉菌毒素，导致受害籽粒失去食用价值。小麦赤霉病防控难度较大，其中种植抗病品种是控制赤霉病流行和危害的一项最经济、有效的措施。淮南地区是我国小麦赤霉病重发区，在新品种审定时对赤霉病高感的参试品种实行一票否决制，充分体现了小麦赤霉病抗病品种选育的重要性和必要性。然而，目前仅有少数的栽培小麦品种对赤霉病呈现稳定抗性，以苏麦3号及其衍生的系列品种为主。小麦野生近缘种含有丰富的抗性基因资源，目前鉴定的小麦近缘属如赖草属（Leymus）、鹅观草属（Roegneria）或披碱草属(Elymus）、偃麦草属（Thinopyrum）、山羊草属（Aegilops）、黑麦属（Secale）、新麦草属（Psathyrostachys）、大麦属（Hordeum）、冰草属（Agropyron）、仲彬草属（Kengyilia）和猬草属（Hystrix）等存在抗赤霉病侵染或扩展的种质资源。如来自大赖草的Fhb3[1]、鹅观草的Fhb6[2]和中间偃麦草的Fhb7[3]等基因（表1），特别是Fhb7，已成功转移到小麦品种上，并经过种植试验证实其在抗病育种中的稳定抗性和应用价值。

表1 近缘种抗赤霉病基因导入小麦的研究状况Table 1 Summary of the incorporation of Fusarium head blight resistance genes into wheat from its wild relatives

转移抗性基因主要的方法是将普通小麦与小麦近缘种远缘杂交，通过染色体操纵技术，创制双二倍体、异附加系、异代换系、易位系等异染色体系，将小麦近缘种携带的抗赤霉病有益基因导入普通小麦，创制抗病新种质，用于育种实践。本文综述了小麦抗赤霉病外源种质的创制和利用现状，以期为小麦抗赤霉病育种提供参考。

1 大赖草的抗赤霉病研究

大赖草（Leymus racemosus，2n=4x=28，NsNsXmXm）又称巨大冰麦草（Elymus giganteus）、大穗滨麦草（Leymus mollis），是禾本科赖草属（Leymus）草本植物，在我国主要分布于新疆维吾尔自治区和内蒙古自治区的沙地和沙丘上。1981年，Mujeeb-Kazi等[4]鉴定大赖草高抗赤霉病，通过远缘杂交创制的普通小麦-大赖草双二倍体，表现较高的赤霉病抗性[4-5]。南京农业大学细胞遗传研究所自1985年起，尝试将大赖草携有抗赤霉病基因的特定染色体或染色体片段转移到普通小麦中。陈佩度等[6]选育出涉及大赖草Lr.2（7Lr#1）、Lr.14（5Lr#1）和Lr.7（部分同源群归属不明）染色体的抗赤霉病小麦-大赖草二体异附加系，在BC2F5代植株的赤霉病抗性表现优良。以这3个抗病异附加系为基础材料，利用花粉辐射、杀配子基因诱导等方法创制了大量的普通小麦和大赖草的易位系。刘文轩等[7]创制了2个涉及5Lr#1染色体的中国春-大赖草易位系，表现抗性；袁建华等[8]选育了3个抗病的小麦-大赖草纯合易位系T1DS-Lr7L、T4AL·4AS-Lr7S和T1BL-Lr2S；Chen等[9]获得了9个抗病易位系。大赖草抗病基因被定位于7Lr#1染色体的短臂（7Lr#1S）和5Lr#1染色体的长臂（5Lr#1L），其中位于7Lr#1S上的抗病主效QTL被命名为Fhb3（表1），研究者们创制了系列含有7Lr#1S的易位系T01、T09、T14和 含 有5Lr#1L的 易位 系T7DS.5LrL、T5AS/5LrL[1,10-11]。随后，涉及7Lr#1S（Fhb3）的多个抗赤霉 病 易 位 系T7BS·7Lr#1S（NAU639）、T2AS·2AL-7Lr#1S（NAU640）[12]、T3AS·3AL-7Lr#1S[13]、5AS-7LrL·7LrS[14]、T6DL·7LrS[15]、T3AS-Lr7S[16]被相继创制，为小麦抗赤霉病遗传改良提供了丰富的种质资源。

2 鹅观草和纤毛鹅观草的抗赤霉病研究

1848年Koch以高加索鹅观草为模式种建立了鹅观草属，它被认为是“小麦族中赤霉病抗性最强、抗源最多的一个属”。鹅观草属在我国有70多个种，主要分布在西北、西南和华北地区。鹅观草属主要包含四倍体和六倍体，四倍体如纤毛鹅观草（Roegneria ciliaris,2n=4x=28，ScScYcYc），六倍体如鹅观草（R.kamoji,2n=6x=42，StsStsHtsHtsYtsYts）。已有研究鉴定鹅观草高抗赤霉病，特别表现为高抗扩展性[17-19]，罗粤川等[20]鉴定了4个抗病的鹅观草居群。为了将鹅观草的种质转移给普通小麦，翁益群等[19]和杨艳萍等[21]分别获得了鹅观草与中国春的正反交杂种，F1对赤霉病表现高抗。在普通小麦中国春与远缘杂种回交后的衍生后代中，吴丽芳等[22]筛选抗赤霉病性表现较好的异附加系K20022和K04026，涉及两条不同染色体，王苏玲等[23]也创制了抗赤霉病的异附加系NAU702，其添加的染色体归属于小麦的第1部分同源群，将其命名为1Ets#1。冯祎高[24]以1Ets#1（1Rk#1）小麦-鹅观草二体异附加系为基础材料，利用花粉辐射诱导选育出一个抗病易位系T1Rk#1S.?W（小麦背景染色体不明确）。利用该易位系和中国春ph1b突变体杂交，在后代中筛选获得小麦染色体身份明确的补偿性易位系T1AL·1Ets#1S，高抗赤霉病，该基因被正式命名为Fhb6（表1）[2]。除此之外，别同德等[25]也选育了表现部分抗病的小麦-鹅观草易位系T7A/1Rk#1；马鸿翔等[26]以鹅观草为供体和中国春为受体进行杂交回交，获得抗性较中国春明显提高的5个中鹅系。

1983年，Muramatsu等以纤毛鹅观草作母本，普通小麦Inayama Komugi作父本杂交获得杂种F1，经染色体加倍育成了普通小麦-纤毛鹅观草双二倍体[27]。1989年，南京农业大学细胞遗传所引进了该双二倍体，以普通小麦中国春为亲本与双二倍体杂交和连续回交后自交。王秀娥等[28]选育了一系列的纤毛鹅观草异附加系，其中1个涉及B染色体长臂的端二体异附加系94K227，其赤霉病抗性明显高于受体亲本中国春，但略低于抗病品种苏麦3号。对选育一整套的纤毛鹅观草二体异附加系，通过多年多点的赤霉病抗性鉴定初步表明，1Yc和3Sc等染色体携带有抗赤霉病基因（表1）[29-30]。

3 偃麦草属的抗赤霉病研究

偃麦草属（Thinopyrum）是禾本科、小麦族（Triticeae）中的多年生草本植物，与普通小麦的亲缘关系较近，世界范围内约有50种，主要分布在温带和寒带地区。该属中许多种质资源表现为抗赤霉菌抗扩展能力[17,19,31]，其中二倍体长穗偃麦草（Th.elongatum,2n=2x=14,EeEe）能够与小麦杂交获得可育后代，有大量的小麦-长穗偃麦草异染色体系包括异代换系、附加系和易位系被创制，并广泛用于小麦的赤霉病抗病改良。Dvorak和Knott[32]获得了普通小麦中国春-长穗偃麦草的双二倍体以及一整套的二倍体异附加系。对以上材料进行抗赤霉病鉴定发现，长穗偃麦草1Ee染色体上携带赤霉病主效抗性基因，其他染色体上可能存在微效抗性基因[33]。Jauhar等[34-35]创制了硬粒小麦与二倍体长穗偃麦草1E的二体异附加系和代换系，具有赤霉病抗性。除此之外，7Ee的添加系也表现稳定的赤霉病抗性，后经反复证实该染色体上携带有抗赤霉病主效基因，命名为Fhb7（FhbLoP）（表1）[3,36-39]。2020年，山东农业大学孔令让教授团队克隆了Fhb7基因，发现它编码1个谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase），该蛋白酶通过去环氧化机制从而发挥解毒效应，并且该基因是由内生真菌的基因水平转移获得的[40]。目前已经培育了农艺性状优良的小片段易位系用于小麦抗赤霉病育种工作。

在普通小麦与其他偃麦草种质的异染色体系中也鉴定了抗赤霉病资源。William和Mujeeb-kazi[41]创制了普通小麦中国春-百萨偃麦草（T.bessarabicum,2n=2x=14,JJ）的双二倍体以及一整套的二体附加系。对这些材料的抗赤霉病鉴定表明，百萨偃麦草的1J染色体携带有抗赤霉病基因[42]。普通小麦和天蓝偃麦草（Elytrigia glacum,2n=2x=14，EE）的双二倍体[43]、硬粒小麦与脆轴偃麦草（Th.junceum,2n=2x=14，EE）的双二倍体[44]、以及普通小麦与彭梯卡偃麦草（Th.ponticum,2n=2x=14，EE）的双二倍体[45]均对赤霉病表现出较强的抗性，表现为抗赤霉菌扩展性，显著降低了赤霉病侵染率。

在育种实践上，将长穗偃麦草与小麦杂交育成小偃4号-穗2、早熟小偃4号、7197-0-25-2-1、7197-0-25-2-2、74G96-c3-1、7014Ro、小偃597等品种（系），感赤霉病均较轻，在北方麦区广泛种植。山西省农业科学院张晓军等[46]系统鉴定了小偃麦衍生品系的赤霉病抗性，获得了13份抗病品系，其中多个品系表现出矮秆、早熟、结实性好、籽粒饱满、株型紧凑等优良农艺性状，可为小麦抗病遗传育种提供有价值的亲本材料。

4 山羊草属的赤霉病抗源利用研究

山羊草属是与小麦亲缘关系最为密切的属，有超过20个种，包括二倍体、四倍体和六倍体种，几乎所有的山羊草属的种都可以通过与小麦进行远缘杂交，基因转移比较容易。目前鉴定的赤霉病抗性表现较好，可以作为小麦赤霉病抗源的包括粗山羊草（Aegilops tauschii）[47]、拟斯卑尔脱山羊草（A.speltoide）、柱穂山羊草（A.cylindrica）、尾形山羊草（A.caudata）[31]、偏凸山羊草（A.ventricosa）[48]、沙融山羊草[47]等。

以四倍体硬粒小麦Langdon与34个粗山羊草品系杂交，获得的人工合成六倍体小麦中发现了3个抗赤霉病较好的材料，其抗性基因来源于粗山羊草（表1）[49]。以258份四倍体小麦波斯小麦PS5与粗山羊草Ae38人工合成六倍体小麦Am3，并以此为供体亲本，创制了37份抗性较好的后代材料[50]。以CIMMYT提供的人工合成六倍体小麦中粗山羊草的D组染色体为抗赤霉病基因供体，通过选择性回交与人工接种鉴定，创造出一些中抗以上水平的优质兼抗赤霉病新种质[51]。

5 黑麦的抗赤霉病研究

黑麦属总体赤霉病抗性不强，大多表现为高感，少数为中度抗病材料[52-53]，仅一个黑麦品种荆州 黑 麦（S.cerealecv.Jingzhouheimai）高 抗 赤霉病[54]。

黑麦1R染色体在小麦遗传改良中发挥了重要的作用，它携有丰富的抗病基因，对小麦多种病虫害表现抗性，包括赤霉病抗性。小麦品系R111是利用小麦-黑麦单体附加系（1R）选育，抗性稳定，略低于苏麦3号，病抗性基因来源于黑麦1R染色体[55]。S42为1BL/1RS易位，高抗赤霉病，其抗性来源于1RS[54]。利用分子标记关联分析表明，黑麦1RS染色体携带赤霉病抗性扩展基因，抗性贡献率为8.4%（表1）[56]。一个1RS-1BS/1BL的小麦-黑麦小片段易位系12-5-1的选育为小麦抗赤霉病育种提供了新的种质资源[57]。

在育种实践上，湖北省荆州地区农科所用当地荆州黑麦与小麦杂交，育成了中抗品种荆州1号、荆州2号、荆州47、荆州66等，曾大面积推广种植。利用小麦-黑麦代换系——代96（携有黑麦4R染色体）与小麦品种长武131等杂交，育成中抗赤霉病品种长武98(1)-3-4[58]。

6 华山新麦草的抗赤霉病研究

华山新麦草（Psathyrostachys huashanicaKeng,2n=2x=14,NsNs）是禾本科小麦族新麦草属多年生异花授粉植物，是我国目前珍稀濒危植物，仅分布于我国秦岭山脉华山段。赤霉病抗性鉴定显示，华山新麦草不抗侵入但中抗扩展[17]。利用普通小麦中国春ph2b突变体（CSph2b）与华山新麦草杂交衍生后代，获得华山新麦草染色体的附加系、代换系或易位系，其中16株表现高抗赤霉病[59]。对45份普通小麦-华山新麦草杂交衍生的后代进行抗赤霉病鉴定，筛选出中抗赤霉病衍生后代H-34-8-2-6-1和H-24-3-1-5-19-1（表1），前者为异代换系，后者为整臂易位系[60]。马鸿翔等[26]以华山新麦草为供体和中国春为受体进行杂交回交，获得抗性较中国春明显提高的4个中华系稳定品系。陆维忠等[61]以华山新麦草为供体，中国春和四川J114为受体，经连续多年的回交和复交，获得抗赤霉病性稳定的宁920290和宁983222等。

7 展望

利用染色体工程手段可以将外源属种的有益基因导入到小麦，进行抗性育种和生产实践，它是提高小麦抗赤霉病的有效途径之一。目前，利用小麦近缘种创制了大量的小麦抗赤霉病外源种质，但在育种上实际应用的不多。这可能是因为导入外源染色体往往片段很大，在引入有益基因的同时也带来一些不良的基因，即遗传累赘，使得大多外源种质农艺性状表现较差，在小麦抗赤霉病育种工作中很难直接利用。因此，为了充分利用小麦抗赤霉病的近缘物种，取得育种上的突破，还需要通过物理辐射、利用中国春ph1b突变体、杀配子等技术创造异代换系、易位系、小片段易位系，逐步转移抗病性，才可能育成生产上应用的抗赤霉病丰产品种。

除此之外，小麦其他近缘属的抗赤霉病基因的转移工作仍需加强。如仲彬草属中的糙毛仲彬草（K.hirsute）和青海以礼草（K.kokonorica）中抗侵入但高抗扩展，黑药仲彬草（K.melanthera）和无芒仲彬草（K.mutica）抗扩展[17]，冰草属中的扁穗冰草（A.cristatum）同时抗侵入和高抗扩展[17,31]，特别是大麦属中鉴定出丰富的抗病品种[53,62]，但目前尚无利用它们创制小麦外源种质的报道。外源抗病基因的挖掘和利用仍是一项任重而道远的工作。

最后，由于小麦赤霉病抗性属于数量性状，创制的部分小麦外源种质尽管抗性有所提高，仍需与目前已经稳定的、抗性贡献高的QTL，如Fhb1等进行聚合[38]，才有望育成理想的高抗赤霉病小麦优良品种。