甘蔗新品种及主栽品种对褐锈病抗性与Bru1基因分子检测

张荣跃 王晓燕 杨 昆 单红丽 仓晓燕 李 婕 王长秘 尹 炯 罗志明 李文凤 黄应昆

云南省农业科学院甘蔗研究所 / 云南省甘蔗遗传改良重点实验室, 云南开远 661699

甘蔗锈病是世界性的甘蔗重要病害之一, 根据症状和病原特征, 甘蔗锈病分为 2种类型, 即由黑顶柄锈菌(Puccinia melanocephalaH. Sydow & P. Sydow.)引起的甘蔗褐锈病和由屈恩柄锈菌(Puccinia kuehniiButler.)引起的甘蔗黄锈病[1-3]。我国蔗区发生的甘蔗锈病以褐锈病为主,黄锈病仅在局部蔗区的少数品种上零星发生[4]。甘蔗褐锈病于 1890年首次报道发生在印度尼西亚爪哇岛[5], 目前在世界许多植蔗国家和地区均有分布, 时常发生流行、危害成灾, 经济损失巨大[1,6-9]。甘蔗褐锈病于 1982年在云南耿马蔗区发生流行[10], 随后我国大陆各甘蔗种植区均有报道和分布[11-14]。多年来, 甘蔗褐锈病在我国主产蔗区时有发生, 是危害甘蔗最为严重的真菌病害之一[15-18]。2015—2019年, 云南、广西甘蔗主产区因感病品种粤糖60号、德蔗 03-83、巴西 45号、柳城03-1137、桂糖 29号等规模化连片种植, 加上连年雨季早、持续期长、多雨高湿诱发甘蔗褐锈病大面积暴发成灾, 减产减糖严重[2,18],褐锈病已成为蔗糖产业高质量发展的主要障碍因素之一。因此, 及时了解现有品种对褐锈病的抗病性和抗病基因分布状况, 对选育抗病品种、有效防控该病害具有重要意义。

国内外研究表明, 不同甘蔗品种对甘蔗褐锈病抗性不一, 选种抗病品种是控制甘蔗褐锈病最经济有效的措施, 一些国家通过培育和选用抗病品种, 加强田间水肥管理和早期监测与综合防控, 甘蔗褐锈病得到了有效控制[19-22]。自20世纪90年代, 国外学者在甘蔗抗病基因发掘上取得实效, 利用与抗病基因紧密连锁的分子标记发现在甘蔗品种R570存在1个抗褐锈病基因Bru1[23-24], 并开发出与Bru1密切相关的2个分子标记R12H16、9O20-F4用于品种资源检测[25-26], 这为充分发掘和利用品种抗性进行合理布局有效防控甘蔗褐锈病奠定了基础。而近年我国各甘蔗育种单位联合攻关选育的一批甘蔗优良新品种, 其对甘蔗褐锈病的抗性和Bru1基因分布状况不清, 各蔗区在选用抗病新品种进行品种合理布局和有效防控甘蔗褐锈病缺乏依据。为此, 本研究结合甘蔗新品种区域化试验病情调查, 于2016—2019年对中国近年选育的60个优良新品种和 34个主栽品种进行褐锈病抗性评价及Bru1基因的PCR检测, 以期筛选抗褐锈病品种、发掘抗源种质, 为生产上品种合理布局和有效防控甘蔗褐锈病提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

国家糖料甘蔗区域试验的60个优良新品种(表1)和云南、广西蔗区34个主栽品种见表2, 区试对照品种新台糖22号, 含Bru1基因抗病对照品种R570[23]和新台糖1号[23],感病对照品种粤糖60号。

1.2 新品种抗性鉴定

于2016—2017年和2018—2019年在云南开远区域化试验站进行优良新品种区域化试验, 以新台糖22号为区试对照种, 以含Bru1基因新台糖1号及R570和粤糖60号分别作为抗病和感病对照品种, 采用随机区组排列, 各供试品种3次重复, 每小区种植5行, 行长6 m, 种植行距1 m,每小区面积30 m2。在试验田周围和每隔2个供试品种种植2行高感褐锈病品种粤糖60号, 尽可能为各供试品种感病提供侵染菌源。

结合区域试验, 分别于每年 9月至10月感病对照品种充分发病时调查供试品种新植蔗和宿根蔗发病情况,对各供试品种进行1年新植和1年宿根抗性评价。各供试品种每重复选定中间3行连续调查100株有效蔗株的发病情况, 3个重复共调查300株, 目测完全展开的全部叶片感病状况及侵染面积百分率。参照 Costet等[26]的评价方法按1～9级分级标准进行褐锈病抗性评价。

1.3 主栽品种抗性鉴定

2016—2019年对云南临沧、云南普洱、云南玉溪和广西宜州蔗区代表性主栽品种、新植蔗与宿根蔗进行抗性评价, 分别于每年9月至10月感病品种粤糖60号或桂糖46号充分发病时调查主栽品种新植蔗和宿根蔗发病情况。各主栽品种、新植蔗与宿根蔗选择代表性田块采用3点取样,每点连续调查100株有效蔗株的发病情况, 目测完全展开的全部叶片感病状况及侵染面积百分率。按1.2的方法进行抗性评价。

1.4 Bru1基因的PCR检测

分别采集各品种充分展开的第 1片新叶提取其总DNA, 参照Costet等[26]和李文凤等[28]的方法进行Bru1基因的PCR检测。

2 结果与分析

2.1 新品种对褐锈病抗性鉴定结果

田间自然发病下抗性鉴定结果表明, 开远区试点新植、宿根、抗病对照品种新台糖1号和R570均表现高抗, 感病粤糖60号表现高感2, 抗性稳定、一致。60个供试新品种新植、宿根病情一致, 高抗至中抗的有41个, 占68.33%;中感到高感2的有19个, 占31.67%。其中粤甘48、福农09-2201、桂糖 08-120、柳城 09-15、中蔗 1 号、云蔗 08-1609、云瑞10-187、德蔗12-88等15个新品种表现高抗, 占25%;粤甘50、福农08-3214、桂糖06-1492、柳城09-19、中蔗6号、云蔗11-1074、云瑞10-701、德蔗09-78、中糖1201等16个新品种表现抗病, 占26.67%; 粤甘53、福农07-3206、桂糖06-2081、中蔗10号、云瑞11-450、中糖 1202等10个新品种表现中抗, 占16.67%; 粤甘47、福农10-14405、海蔗22号、中糖1301四个新品种表现中感, 占6.67%; 粤甘52、闽糖07-2005、柳城07-150、云瑞12-263等11个新品种表现感病, 占18.33%; 桂糖13-386、粤甘43、粤甘49、云蔗09-1601四个新品种表现高感, 占6.67% (表1)。

表1 甘蔗新品种对褐锈病菌的抗性与Bru1基因PCR检测结果Table 1 PCR detection of Bru1 and evaluation of field resistance to Puccina melanocephala in new sugarcane varieties

(续表 1)

2.2 主栽品种抗褐锈病鉴定结果

34个主栽品种不同蔗区新植、宿根病级一致, 高抗至中抗的有25个, 占73.53%; 中感到高感2的有9个, 占26.47%。其中新台糖1号、新台糖22号、粤糖86-368、盈育91-59等16个主栽品种表现高抗, 占47.06%; 5个主栽品种粤糖93-159、粤糖00-236、云蔗03-258、云蔗05-49和川糖 79-15表现抗病, 占 14.71%; 4个主栽品种云蔗05-51、云引10号、桂糖11号和桂糖36号表现中抗, 占11.76%; 2个主栽品种柳城05-136和桂糖42号表现中感,占5.88%; 3个主栽品种桂糖29号、桂糖44号、德蔗03-83表现感病, 占8.82%; 4个主栽品种柳城03-1137、粤糖60号、巴西45号和桂糖46号表现高感, 占11.76% (表2)。

2.3 Bru1基因的PCR检测

PCR检测结果表明, 含Bru1的抗病对照品种新台糖1号和R570均分别稳定扩增出 2个目的条带, 而感病对照品种粤糖60号未能扩出2个目的条带; 60个供试新品种中有36个抗病新品种扩增出2个目的条带, 表明含有Bru1基因, 频率为60%, 其余5个抗病和19个感病新品种未能扩出2个目的条带(表1); 34个供试主栽品种中有18个抗病主栽品种扩增出2个目的条带, 证明含有Bru1基因, 频率为52.94%, 其余7个抗病和9个感病主栽品种未能扩出2个目的条带(表2)。

3 讨论

甘蔗褐锈病是为害甘蔗叶部的重要流行性真菌病害, 不同甘蔗品种对甘蔗褐锈病抗性不一, 筛选抗病品种合理布局可有效防控甘蔗褐锈病流行危害[2,21]。鉴于褐锈病是当前严重影响中国甘蔗产业高质量发展的重要病害, 今后应调整甘蔗抗病育种策略, 将抗甘蔗褐锈病新品种选育作为主要经济指标之一, 加强抗褐锈病甘蔗种质资源的评价筛选, 切实提高抗褐锈病甘蔗新品种选育效率。云南是世界野生甘蔗起源中心之一,也是中国甘蔗野生资源重要分布中心[28-29], 甘蔗野生资源是现代甘蔗育种中抗病基因的重要来源, 已有研究显示, 中国甘蔗种质资源圃保存的野生种质资源中蕴藏着优良的抗病基因, 是抗病甘蔗品种选育的重要抗源[27,30-33]。本研究结果显示, 中国近年选育的新品种及主栽品种中也蕴藏有优良的Bru1基因, 在因地制宜择优推广抗褐锈病新品种及主栽品种的同时, 可与野生种质资源杂交扩宽遗传基础, 充分发挥其应用潜力,为抗褐锈病甘蔗新品种培育充实抗性基因源, 这与本课题组前期研究结果[27]一致。

表2 甘蔗主栽品种对褐锈病菌的抗性与Bru1基因PCR检测结果Table 2 PCR detection of Bru1 and evaluation of field resistance to Puccina melanocephala in major sugarcane varieties

先前的研究表明, 许多抗褐锈病的甘蔗野生种质资源和主要育种亲本未检测到抗病基因Bru1[27,35], 而本研究中高抗褐锈病的 2个新品种福农 09-7111和福农11-2907, 中抗褐锈病的3个新品种中蔗10号、云瑞11-450和中糖 1202未检测到抗褐锈病基因Bru1, 这表明除了Bru1基因外, 可能还存在其他抗褐锈病基因, 有待于进一步深入研究。Bru1基因目前已在甘蔗抗褐锈病评价中广泛使用[27,35-36], 还未发现含有Bru1基因的品种出现感褐锈病的情况, 虽然目前还未发现Bru1基因抗性衰退的报道, 但仍存在长期使用导致其抗病性下降、发生抗性丢失的危险, 所以应加强其他抗褐锈病基因在抗病育种中的引入与利用, 避免因病原变异引起Bru1抗性丧失的潜在威胁。

感病品种大面积种植加上多雨高湿是甘蔗褐锈病暴发流行的主要诱因, 不同甘蔗品种对甘蔗褐锈病抗性不一, 防治甘蔗褐锈病最为经济有效的措施是选种抗病品种[2,13]。本研究结果显示, 目前大面积种植的桂糖29号、桂糖 44号、德蔗03-83、柳城03-1137、粤糖 60号、巴西45号、桂糖46号7个主栽品种高度感病, 而近年选育的粤甘48、福农09-2201、柳城09-15、中蔗 1号、云蔗08-1609、云瑞10-187、德蔗12-88、中糖1201等31个优良新品种抗病力强。建议多雨湿润甘蔗褐锈病高发蔗区,应加大淘汰感病主栽品种和推广应用抗病优良新品种力度, 以期达到品种合理布局, 从根本上控制蔗区病害的暴发流行, 为中国甘蔗产业高质量发展提供安全保障。