山东鲁西南麦区小麦抗赤霉病育种技术体系优化

山东省单县莱河镇农业农村服务中心 蔡勇

前言

小麦赤霉病是由禾谷镰刀菌引起的世界性小麦病害，也是我国小麦生产上的主要病害之一。由其引起的小麦赤霉病造成的产量损失和品质下降，在我国麦区普遍发生。目前，世界各国对该病害的防治主要通过选育抗病品种来实现，但是由于小麦赤霉病致病菌谱广，对产量和品质影响大，且其抗性水平易受气候条件影响等原因，导致目前生产上所使用的抗赤霉病品种抗性水平参差不齐。

为了加快小麦抗赤霉病育种进程，国内外学者针对小麦抗病育种提出了一系列技术体系和策略，取得了显著成效。但是近几年小麦赤霉病在山东的大面积发生，特别是济麦22 等主栽品种在生产上的大面积应用，导致对育种技术体系提出了新的要求。如何结合山东小麦生产特点和赤霉病发生特点，充分利用现有抗赤霉病遗传资源和分子标记技术，选育适宜当地生产需求的优质、多抗、广适、适宜机械化种植和机械收获的品种和技术体系已成为育种工作者面临的新课题。本研究结合山东省小麦生产特点和育种实际需求，通过多年来在山东省小麦赤霉病抗病育种工作中积累的经验和教训，从种质资源选择、遗传材料构建和抗原鉴定技术体系等方面开展了一系列优化。

1 种质资源的选择

以山东小麦赤霉病发生情况和生产需求为导向，选择优质、综合抗性突出的小麦品种（系）作为育种材料，是提高抗赤霉病育种效率的重要措施。课题组根据对山东省小麦赤霉病发生特点的分析，确定了山东省小麦赤霉病育种目标，并根据目标明确了研究内容。针对山东小麦赤霉病发生特点，本研究以优质、综合抗性突出的济麦22、鲁麦21 和鲁麦23 等为亲本，利用分子标记辅助选择技术，对筛选到的优质、综合抗性突出的材料进行构建，通过与抗病亲本进行杂交、回交和自交，构建了一套具有较强抗原基础的抗病群体。并利用分子标记辅助选择技术对筛选到的抗病材料进行分子标记辅助选择，结合多基因聚合方法，构建了一套抗赤霉病遗传材料。采用抗原与抗病基因聚合技术进行了抗性鉴定和遗传分析。济麦22 综合抗性突出、产量高；鲁麦21 综合抗性中等；鲁麦23 综合抗性差，但产量较高。与亲本相比，该套材料在赤霉病抗性方面具有较大优势，并且在产量、产量构成因素和千粒重方面也有较大的改善。这与该套抗原材料优质、综合抗性突出、产量较高、抗病性与耐病性优良有关。该套抗原材料对赤霉病均具有良好的抗性，其中对赤霉病抗性表现较好的材料包括济麦22 和鲁麦21。结合上述分析结果可知，该套抗原材料具有很好的应用价值和良好的推广前景。通过分子标记辅助选择技术，筛选到的抗病材料表现优异。综合考虑品种品质、抗病性、产量、抗性等因素，该套抗原材料在山东小麦赤霉病抗性育种中具有较好的应用前景[1]。

2 抗原材料的构建

在山东小麦抗赤霉病育种中，抗病、优质和综合抗性是育种的重要目标。综合抗性是指同时具备多个优良性状的小麦品种，其综合抗性主要受基因型影响，优质则主要受环境影响。因此，在构建抗赤霉病遗传材料时，应尽可能选择综合性状优良的品种。课题组采用分子标记辅助选择技术构建了一批小麦抗赤霉病遗传材料，其中包括含有丰富抗赤霉病基因的优质强筋小麦品种（系）和抗病优质小麦品种（系），如济麦22、烟农19、烟农15、烟农22-9、鲁麦21-1 和济麦22 等。利用这些抗原材料与高产品种（系）杂交，对其后代进行抗原鉴定，发现多数抗赤霉病的单株与高产品种（系）杂交后代具有较好的组合效应。此外，采用分子标记辅助选择技术构建的抗赤霉病遗传材料也表现出较好的综合抗性。

利用分子标记辅助选择技术构建的抗源材料在抗病性鉴定中表现出较高的鉴定准确率。在多个亲本的杂交组合中，分子标记辅助选择获得了具有高抗赤霉病等性状的基因型材料，如中麦569、济麦22、中麦895、鲁麦21-1、烟农19 和烟农20 等。分子标记辅助选择在构建抗赤霉病遗传材料中得到了广泛应用，如用含抗病基因烟农19/中麦569 杂交组合F1 代构建了高抗赤霉病的优良单株。利用分子标记辅助选择技术在供试材料中获得了几个与主效基因相连锁的分子标记。通过分析这些与主效基因连锁的分子标记，可以对育种材料进行快速鉴定。此外，利用分子标记辅助选择技术构建的抗源材料在产量和品质性状上表现良好，其中烟农22、济麦22 和烟农21-9 等产量性状和品质性状优异。

3 小麦抗赤霉病分子标记辅助选择技术体系

近年来，随着分子标记技术的不断发展，分子标记辅助选择（MAS）已成为小麦抗赤霉病育种的重要手段。利用分子标记辅助选择技术，可以快速、准确地对供试材料进行遗传背景分析和检测，有利于有效提高抗病基因的选择效率。本研究通过分析山东省小麦品种赤霉病抗性水平和遗传背景，构建了一套与小麦抗赤霉病育种相适应的分子标记辅助选择体系。该体系主要由3 部分构成：一是检测抗性相关基因；二是分析抗性遗传背景；三是检测抗性基因的效应。

第一部分采用基于聚合方法的分子标记辅助选择，检测到一个主效抗赤霉病基因（Zmfh1），结合其在栽培小麦中的频率和位于2B 染色体上的区间内标记（KASP），对小麦抗赤霉病育种材料进行了分子标记辅助选择。结果表明：该抗性基因在2B 染色体上分布比较广泛，结合其在栽培小麦中的频率和位于2B 染色体上的区间内标记（KASP），可以快速准确地筛选到抗赤霉病抗性较强的材料。

第二部分利用分子标记辅助选择体系，分析抗性相关基因在栽培小麦中的分布和频率，发现抗性相关基因Zmfh1 和KASP 在栽培小麦中广泛分布，在抗病亲本中出现的频率均高于感病亲本。利用KASP 分子标记对该抗性基因进行检测，可以快速准确地筛选到抗性较强的材料[2]。

第三部分采用分子标记辅助选择体系结合表型鉴定方法，对小麦抗赤霉病材料进行筛选和鉴定，获得一批抗赤霉病抗性较好的材料。

在本研究中，小麦赤霉病抗性由3 个主效基因控制。该体系包括以下几个部分：（1）在室内用KASP 分子标记对3 个基因进行检测，如果KASP 分子标记检测到抗赤霉病基因Zmfh1，则抗性基因Zmfh1 将被选择；否则，抗性基因Zmfh1 不能被选择。实验中选用了两个KASP 分子标记对这3 个基因进行检测，结果表明，抗性基因Zmfh1 和抗感基因Zmfh1 均在抗病亲本中被检测到。（2）在田间用分子标记对3 个基因的效应进行检测。利用小麦赤霉病抗性品种Laminaryz、济麦22 和周麦18 的F1 代对3 个基因的效应进行了检测。结果表明，这3 个抗赤霉病抗性材料与感病亲本相比，其赤霉病抗性明显增强。（3）利用田间表现选择抗赤霉病材料。田间表现选择抗赤霉病材料是提高抗赤霉病育种效率的关键，根据品种的不同，选择的标准也不同。本研究以感病亲本Laminaryz 为材料，对其进行田间表现选择，结果表明：在室内用KASP 分子标记对3个基因的效应进行检测后，不能有效地对其进行选择。因此，在田间采用KASP 分子标记对3 个基因进行选择时，可以将室内检测结果作为选择标准。利用田间表现筛选抗赤霉病材料，可有效避免室内检测结果作为选择标准带来的缺陷。

4 抗赤霉病育种技术体系的进一步优化

本研究针对山东鲁西南麦区赤霉病发生特点和生产需求，以赤霉病抗性相关基因（GKCGR1、GKCGR2 4 6 和GKCGR9）为基础，选择优质抗病、综合抗性突出的材料进行构建，利用多基因聚合和分子标记辅助选择等技术，构建抗原鉴定技术体系。在此基础上，利用多基因聚合技术，结合分子标记辅助选择等技术，构建抗原材料。为进一步提高育种效率和育种水平，针对与赤霉病抗性相关的重要经济性状和农艺性状进行鉴定，以进一步了解目标性状对赤霉病抗性的贡献程度。

在进行抗原鉴定时，采用山东鲁西南麦区赤霉病田间自然发病和人工接种鉴定相结合的方法。在对小麦赤霉病抗性进行评价时，主要采用田间自然发病鉴定法。自然发病鉴定是根据自然发病情况对小麦品种的赤霉病抗性进行综合评价；人工接种鉴定是根据人工接种后观察植株的抗病性状态，并结合田间表现进行综合评价。在评价时还应结合其他指标，如穗粒数、千粒重。这样能准确地反映目标性状对赤霉病抗性的贡献程度，更好地发挥育种目标的作用[3]。

4.1 不同来源的抗赤霉病材料的筛选

在进行抗性评价时，采用自然发病鉴定法，根据田间自然发病情况，对不同来源的抗源材料进行评价。通过对不同来源的抗源材料进行比较，筛选出抗性较好、综合性状较优的材料。本研究中构建的小麦抗赤霉病育种技术体系，是以已知抗赤霉病基因为基础，将多个抗赤霉病基因聚合到一起，从而获得含有多个抗赤霉病基因的抗源材料。这不仅为抗赤霉病育种提供了新的基因来源，而且还可以通过聚合不同类型的抗病基因，实现不同抗性基因间的自由组合，从而获得更多、更丰富的抗性品种。利用多基因聚合技术结合分子标记辅助选择等技术，可以将抗性较好、综合性状较优的材料导入到亲本中去，实现抗赤霉病育种。

4.2 不同鉴定方法的应用

在进行抗赤霉病育种时，不同的抗源鉴定方法各有利弊。田间自然发病鉴定法能够快速、准确地了解小麦的赤霉病抗性状态，但是这种方法要求比较严格，需要人工接种后及时观察植株的生长状态，否则可能会造成接种不均匀、植株长势不一致等问题，导致鉴定结果不准确。人工接种鉴定法能够准确反映小麦的抗性水平，但是由于人工接种后植株会出现矮化或倒伏等不良现象，也会影响抗性鉴定的准确性。因此，在进行赤霉病抗原筛选时，应根据不同的育种目标和不同的性状进行综合评价，选择合适的鉴定方法。本研究通过对山东鲁西南麦区赤霉病抗原鉴定技术体系的优化与完善，筛选出一批综合抗性突出、农艺性状优良的小麦抗原材料，构建了以赤霉病抗性相关基因为基础、以多基因聚合和分子标记辅助选择等技术为手段的抗赤霉病育种体系。

4.3 鉴定评价方法的选择

田间自然发病鉴定法：该方法是利用田间自然发生的小麦赤霉病症状，经过人工接种鉴定，将结果与抗性相结合，分析抗性基因的遗传规律和差异，从而判断小麦品种的抗性强弱。该方法简单易行，但因不能区分同一抗性基因不同遗传背景的差异，其结果仅能提供抗、感等方面的信息，不能提供品种间和品种内抗病性差异的信息。人工接种鉴定法：该方法是利用人工接种物诱导小麦产生病菌孢子，然后观察小麦的抗病性状态。该方法对鉴定材料和环境要求较高，且需要人工接种并进行观察记载，费时费力。该方法虽然能够反映抗性基因对病害抗性的贡献程度，但由于受接种材料和环境条件等因素的影响较大，不能准确反映抗、感等方面的信息。

自然发病鉴定法：该方法是根据田间自然发生情况对小麦品种进行抗性评价。该方法简单易行，但受气象条件和病菌孢子发生情况影响较大。在正常气候条件下，由于受气温、降雨、湿度等因素影响小，其结果更接近于真实情况；而在阴雨、多雾和高湿度条件下鉴定结果则可能与真实情况差距较大。因此，在自然发病鉴定法中不能仅用某一个因素作为评价依据，还需要综合考虑气象条件、病菌孢子发生情况和小麦品种本身的抗病性状态等因素。

5 结语

本研究针对当前小麦抗赤霉病育种技术体系不够完善、分子标记辅助选择效率不高等问题，通过对小麦抗赤霉病育种技术体系的优化，实现了抗赤霉病育种进程的加快和育种效果的提高。首先，在种质资源的选择方面，根据山东小麦赤霉病发生特点和生产需求，利用高抗病材料和综合抗性材料进行构建，构建了一套较完整的抗赤霉病遗传材料体系；其次，利用分子标记辅助选择技术提高了分子标记辅助选择效率；再次，建立了一套系统、全面、快速的抗原鉴定技术体系；最后，为提高育种效率和效果，通过多基因聚合技术构建了一批小麦抗赤霉病新种质。上述优化措施为解决当前小麦赤霉病育种中存在的问题提供了科学依据，随着小麦抗赤霉病育种进程的加快和分子标记辅助选择技术的不断完善，将有望为小麦抗赤霉病育种提供更多、更有效、更直接的选择材料。