南阳麦区小麦品种(系)条锈抗性及抗病基因分析

杨 辉, 简俊涛, 王清华, 刘 骏, 李玉鹏, 张 彬, 张闯闯, 杨 媛, 谢彦周

(1.南阳市科学院, 河南 南阳 473000; 2.焦作市农林科学研究院, 河南 焦作 454002;3.南阳农业职业学院, 河南 南阳 473000;4.西北农林科技大学农学院/旱区作物逆境生物学国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

小麦条锈病是由小麦条锈菌引起的气传病害,是世界小麦生产的一种重要病害,一般造成10%～30%的产量损失,严重时可造成绝收[1]。南阳盆地是我国小麦条锈病重要的冬繁与流行区之一,是黄淮麦区及长江中下游麦区条锈病春季流行重要的菌源输出地。降低冬繁区的菌源量,调控条锈毒性菌源结构,对小麦锈病综合治理意义重大。南阳麦区占据南阳盆地大部,常年小麦种植面积67万hm2左右,总产量占河南总产的10%,对保障河南乃至全国的粮食安全至关重要。南阳麦区处于长江中下游麦区与黄淮麦区交接处[2-3],气候独特,常年病害较重,是陕西东部小麦条锈菌冬繁区与黄淮麦区交接处,是鄂北条锈菌冬繁区与长江中下游麦区交接处,是条锈菌重要的冬繁区和流行区。1990年南阳麦区小麦锈病大爆发,造成本地19.7万hm2小麦受灾严重,波及豫中北乃至华北麦区,给全国小麦生产造成重大损失。近年病虫情报显示,南阳麦区的淅川、西峡、唐河等地条锈病发生呈现越来越早的趋势,该区小麦品种布局对菌源选择性大量繁殖及防扩散屏障的搭建具有重要作用。南阳麦区包含黄淮南片南部及以桐柏县、唐河县、邓州市为主的南部组,由于品种区划和区域性气候独特造成本地选育品种难度大,主栽品种主要来自陕西和河南省内其他育种单位(占80%以上),部分本地自育品种及少量农民自留种。了解南阳麦区主栽小麦品种及鉴定新育品系条锈病抗性水平、条锈抗病基因的分布,对于南阳麦区、豫东(北)地区及长江中下游麦区小麦安全生产意义重大。Yr2在育种上利用较为广泛,Yr10与Yr18对流行小种仍保持一定抗病性,成株期抗性基因Yr32在育种上使用较少[4]。2002年、2007年条锈病小种CYR32、CYR33分别成为我国条锈菌优势小种,2010年以来,CYR34逐渐成为流行高频率小种,其致病力在CYR32和CYR33的基础上增强[5-6]。由于新的条锈生理小种不断产生并流行,合理布局利用抗病品种对预防小麦条锈病而言最经济也最直接。单一抗源难以抵抗条锈病害的发生,由于条锈菌种群在抗性寄主的压力下,进行与抗病性相反的生态竞争,最终抗病基因大规模使用也会加速抗病品种抗性的丧失。合理布局抗病品种能够影响病原菌的进化和小种的流行。准确评价品种的抗病情况和所含抗病基因能够为品种的推广、聚合多抗新品种的选育及病害防控提供依据。南阳麦区作为我国小麦条锈菌重要的冬繁区,在病害流行中起到关键作用。然而该区主栽小麦品种、新育品系抗性水平和抗性基因未见报道,这对抗病品种的合理布局和指导本区域抗性新品种选育是不利的。本研究以南阳麦区22个主栽小麦品种和鉴定的146个高代品系为材料,在南阳进行连续两年自然诱发鉴定、杨凌进行主流混合菌种接种鉴定,结合相关抗病基因分子检测,评价抗病结果、解析携带抗条锈病基因,最终为这些品种在南阳麦区的推广、聚合多抗条锈病新品种选育及为大范围豫东(北)及华北地区条锈病害防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为南阳麦区主栽的22个小麦品种以及2017—2019年西北农林科技大学南阳小麦试验站鉴定的146个高代品系。流行小种混合菌种(条中32、条中33、条中34)由西北农林科技大学王保通教授课题组提供。

1.2 试验方法

1.2.1小麦条锈病鉴定

2017—2018年、2018—2019年在南阳自然诱发病圃鉴定,杨凌田间人工接种鉴定。4月中下旬、5月初和5月上旬调查南阳自然发病情况;3月中下旬杨凌喷雾接种混合菌种(CYR32、CYR33、CYR34)于诱发行,诱发材料为辉县红,随后4月中下旬、5月初及中下旬调查接种发病情况。参照文献[7]、文献[8]记载反应型,采用0～9级标准,高抗(0～3级)、中抗(4～6级)、中感(7级)、高感(8～9级)。

1.2.2抗病基因的分子检测

小麦生长到三叶期取叶片,采用CTAB法提取DNA。抗病基因Yr2、Yr10、Yr18、Yr32的相关引物序列通过上海生工生物工程公司合成,引物序列如表1,随后采用变性聚丙烯酰胺凝胶电泳进行检测。

表1 试验所用引物

2 结果与分析

2.1 小麦抗条锈病鉴定结果

2017—2019年分别综合田间自然发病、接种鉴定在成株期分别以最高发病等级评价小麦抗病性。由表2可知,22个南阳麦区主栽品种连续两年在南阳自然诱发鉴定,表现为中抗及以上12个、中抗到中感6个、中感及以上4个,分别占总数的54.5%,18.2%,27.3%。杨凌接种鉴定表现为中抗及以上14个、中感及以上8个,分别占总数的63.6%,36.4%。如表3,高代品系146个,南阳自然诱发鉴定表现为中抗及以上126个、中感18个、高感2个,分别占总数的86.3%,12.3%,1.4%。杨凌接种鉴定表现为中抗及以上99个、中感20个、高感27个,分别占总数的67.8%,13.7%,18.5%。

表2 南阳麦区22个主栽品种条锈抗性鉴定及分子标记检测结果

表3 146个高代品系条锈抗性鉴定及分子标记检测结果

2.2 小麦抗条锈病基因检测结果

采用前人开发的Yr2、Yr10、Yr18、Yr32相关标记进行分子标记检测。由图1、表2可见,22个南阳主栽品种,Yr2、Yr10、Yr18、Yr32检出材料分别为21个、15个、0个、4个,检出率分别为95.4%,68.2%,0%,18.2%。11个检出Yr2+Yr10,检出率为50.0%,1个检出Yr2+Yr32,检出率为4.5%,3个检出Yr2+Yr10+Yr32,检出率为13.6%。如图1、表3所示,146个高代品系Yr2、Yr10、Yr18、Yr32检出材料分别为141个、87个、0个、35个,检出率分别为96.6%,59.6%,0%,24.0%。61个检出Yr2+Yr10,检出率为41.8%,8个检出Yr2+Yr32,检出率为5.5%,4个检出Yr10+Yr32,检出率为2.7%,22个检出Yr2+Yr10+Yr32,检出率为15.1%。

图1 Yr基因分布情况

3 讨 论

3.1 南阳麦区在我国小麦条锈病流行的地位

南阳麦区占据南阳盆地大部,南阳盆地是我国小麦条锈菌重要的冬繁流行区。南阳地处亚热带向温带过渡带,属季风大陆湿润半湿润气候,常年冬季平均气温3.2 ℃,10月、11月平均气温分别为16.2 ℃、9.3 ℃,常年10月中旬左右开始播种,小麦条锈菌侵染适宜温度为9～13 ℃,播种后小麦生长发育快,为条锈菌大量繁殖创造条件。冬繁区条锈菌从11月到翌年3月,可以在同一品种发生多次侵染,不断增强病原菌毒性。携带不同抗条锈病基因的小麦品种选择匹配毒性小种大量繁殖。南阳麦区是条锈病从长江流域向黄淮海扩散的关口,邻近的鄂西北十堰、襄阳等地冬季菌源充足,也是重要的菌源输出地。2017年南阳麦区条锈病大流行,49.7万hm2麦田发病,表现为冬前发病早,后期发病重,推测在11月上旬或更早发病,当年河南省小麦条锈病大发生,然而当年西北条锈菌越夏区菌源为历年最少的年份且发病晚,推测条锈病菌源可能在河南省当地越夏,而南阳地区的山区、鄂西北的神农架可能也是越夏区[13-14]。足见南阳麦区近年推广的主栽小麦品种起到了降低条锈病菌源量的作用,对豫中(北)乃至华北等地区的小麦生产形成保护屏障,南阳麦区栽培选用条锈病多抗聚合基因的小麦品种是最有效、持久调控越冬菌源量的一种途径。

3.2 南阳麦区小麦品种条锈抗性仍需加强

南阳位于河南省西南部,鄂、陕、豫三省交界,是重要的小麦产区,小麦条锈病春季非常流行,经常呈现出早发病、发病重的特点。河南作为中原粮仓,大部分属于黄淮麦区,有研究表明,近年来黄淮麦区小麦品种条锈抗性整体提高[13-15]。然而关于过渡带的南阳麦区小麦品种抗性如何未见报道,南阳麦区主栽品种是否具有较高水平的条锈抗性,紧密关联主产区夏粮安全。准确评价当前南阳近年主栽小麦品种及鉴定新育品系条锈病抗性水平能够为精准防控、抗病基因品种布局及聚合多抗基因新品种选育提供参考。尽管南阳麦区22个主栽品种中50.0%的品种在连续两年南阳自然鉴定和混合菌种接种鉴定都表现出条锈病中抗及以上水平,然而主栽品种中种植面积较大的西农979、郑麦9023、百农207、兰考198等对条锈抗性丧失。此外,聚合Yr2+Yr10+Yr32抗性基因的品种西农511、西农509、矮抗58表现出较好的条锈抗性,在南阳麦区生产利用价值较大。鉴定新育品系较南阳近年推广的品种Yr32检出率高,聚合Yr2+Yr10+Yr32抗性基因的品系也较多,为后续聚合多抗基因新品种选育提供种质资源。南阳主栽品种和高代品系在自然鉴定条锈病中感及以上,在主流小种混合菌种接种鉴定基本上都是中感及以上,甚至部分麦区自然鉴定为中感,但杨凌实验接种鉴定为中抗,足见南阳麦区条锈病自然发病较重,在这种自然锈病高发高压下对小麦新品种选育有益,但对小麦大田生产非常不利。

3.3 聚合多抗条锈病基因品种(系)利用

持有抗病基因是应对病害发生并减轻病害的最直接有效途径,国内外已发现并命名80多个抗条锈病基因[16]。研究过渡生态区南阳麦区用到的抗条锈基因,以及南阳麦区近年推广的品种及鉴定新育品系含有的条锈病基因,将有助于南阳麦区新品种的布局及示范推广,助力南阳减药绿色粮食生产,为聚合多抗新品种选育提供分子筛选的方向。本研究利用部分已知抗病基因对应的分子标记对南阳麦区近年推广品种及鉴定新育品系进行分子检测,结合自然发病及主流小种混合菌种接种鉴定抗病性,进行抗病基因分析。结果表明,22个南阳主栽品种中, 21个品种检测到含有Yr2,15个品种含有Yr10,4个品种含有Yr32。146个高代品系中,141个检测到含有Yr2,87个含有Yr10,35个含有Yr32。南阳麦区主栽的22个品种和146个高代品系都没有检测到携带Yr18的抗病材料。此外,本研究还发现少量抗病性较好的品种(系),存在未知的Yr基因 。可能由于所用标记数量及部分标记检测效率有限,不能完全解析抗病品种(系)具体携带哪个抗病基因及相关抗性基因组合。也可能由于部分品种(系)携带新的抗病基因,需要继续发掘和利用。

Yr2曾经在育种中广泛利用,表现出专化抗性、全生育期抗性。研究表明,在南阳麦区主栽品种和鉴定高代品系占比分别为95.4%和96.6%,可见其利用非常广泛,为基础抗性,后续仍需兼顾。Yr10表现出专化抗性、全生育期抗性,对国内大多数生理小种有较好抗性,对我国近年来的优势生理小种条中30和条中31表现出免疫[17-18]。本试验结果表明,南阳麦区主栽品种含Yr10占比68.2%,鉴定高代品系含Yr10占比59.6%。可见南阳麦区主栽品种中Yr10利用率较高,后续应继续加强抗性较好且含有Yr10的利用。Yr18表现出非专化抗性、高温成株期抗性,Yan等[19],王凤乐等[20]研究表明,Yr18利用率较低,本研究中没有检测到含有Yr18的品种(系),可能该基因资源不易利用,也可能在田间选择中丢失。Yr32也是专化抗性、全生育期抗性基因,检出率分别是18.2%,24.0%,在南阳麦区推广品种中利用率不高,在鉴定高代品系中占有率略微提升,但总体而言,Yr32的利用率不高。新育品系中2021年通过审定的宛麦1326、西农99、西农100等尽管不含Yr32,但仍有较好的条锈抗性,可能含有未知抗性基因,仍需继续研究。

今后在南阳麦区推广品种要继续加强聚合Yr2+Yr10+Yr32抗性基因的品种布局和利用,并且要加强新抗源品种(系)的利用,利用分子标记技术加强多抗基因聚合,针对南阳麦区以提高持久抗性。

4 结 论

南阳麦区近三成主栽小麦品种条锈抗性丧失,总体抗性仍需提高,聚合多抗基因是获得多抗的基础。Yr2、Yr10利用率高,聚合多抗基因及Yr32的品种(系)在南阳麦区今后推广、新品种选育中要继续加强利用,发掘新抗源,加强病害监测和药物防治,以降低南阳麦区菌源地冬季条锈菌量,降低流行风险。针对南阳麦区,利用已知抗病基因相关品种(系)在亲本选配聚合多抗及丰产性上加强利用和分子筛选,培育出抗性更优、抗性更持久的新品种。