刘金栋¹, 杨恩年², 肖永贵¹, 陈新民¹, 伍玲², 白斌³, 李在峰⁴, Garry M. Rosewarne^2,5, 夏先春^1,*, 何中虎^1,5,*
1中国农业科学院作物科学研究所 / 国家小麦改良中心, 北京 100081

²四川省农业科学院作物研究所, 四川成都 610066

³甘肃省农业科学院小麦研究所, 甘肃兰州 730070

⁴河北农业大学植物保护学院, 河北保定 071001

⁵ CIMMYT中国办事处, 北京 100081

^* 通讯作者(Corresponding authors): 夏先春, E-mail: xiaxianchun@caas.cn, Tel: 010-82108610; 何中虎, E-mail: zhhecaas@163.com, Tel: 010-82108547 第一作者联系方式: E-mail: liujindong_1990@163.com, Tel: 010-82108564
收稿日期:2015-03-21 接受日期:2015-05-04网络出版日期:2015-05-25基金:本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB127700), 国家自然科学基金项目(31261140370), 引进国际先进农业科学技术计划(948计划)项目和科技部国际科技合作项目(2012DFA32290)资助

摘要小麦条锈病、叶锈病和白粉病是我国小麦的重要真菌病害, 培育兼抗型成株抗性品种是控制病害最为经济有效和持久安全的方法。本研究选用由成株抗性育种方法培育的21份冬小麦高代品系和96份春小麦高代品系, 在多个环境下进行这3种病害的成株期抗性鉴定, 并利用紧密连锁的分子标记检测了兼抗型基因 Lr34/Yr18/Pm38、 Lr46/Yr29/Pm39和 Sr2/Yr30的分布。田间鉴定表明, 21份冬小麦品系中有17份兼抗3种病害, 占80.9%; 96份春小麦品系中有85份兼抗3种病害, 占88.5%。分子标记检测发现, 21份冬小麦品系均含 QPm.caas-4DL, 其中7份还含 QPm.caas-2BS, 9份还含 QPm.caas-2BL; 96份春小麦品系中, 18份含 Lr34/Yr18/Pm38, 37份含 Lr46/Yr29/Pm39, 29份含 Sr2/Yr30。以上结果表明, 分子标记与常规育种相结合, 可有效培育兼抗型成株抗性品种, 为我国小麦抗病育种提供了新思路。

关键词:普通小麦; 兼抗型; 成株抗性; 条锈病; 叶锈病; 白粉病
Development, Field and Molecular Characterization of Advanced Lines with Pleiotropic Adult-Plant Resistance in Common Wheat
LIU Jin-Dong¹, YANG En-Nian², XIAO Yong-Gui¹, CHEN Xin-Min¹, WU Ling², BAI Bin³, LI Zai-Feng⁴, Garry M. Rosewarne^2,5, XIA Xian-Chun^1,*, HE Zhong-Hu^1,5,*
1 Institute of Crop Science / National Wheat Improvement Center, Chinese Academy of Agricultural Sciences (CAAS), Beijing 100081, China

² Crop Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China

³ Wheat Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, China

⁴ College of Plant Protection, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China

⁵ CIMMYT-China Office, c/o CAAS, Beijing 100081, China


AbstractStripe rust, leaf rust, and powdery mildew are devastative fungal diseases of common wheat ( Triticum aestivum L.) in China, and breeding cultivars with pleiotropic adult-plant resistance is believed to be the most important solution to control these diseases effectively and environmental friendly. A total of 21 winter wheat advanced lines and 96 spring wheat advanced lines collected from adult-plant resistance breeding programs were used to estimate the level of resistance against the stripe rust, leaf rust and powdery mildew across several environments. Simultaneously, the distribution of pleiotropic resistance genes Lr34/Yr18/Pm38, Lr46/Yr29/Pm39, and Sr2/Yr30 were also detected using molecular marker closely linked to the target genes. The field test showed that 17 winter wheat lines (80.9%) and 85 spring wheat lines (88.5%) performed acceptable resistance against the three diseases. All the 21 winter wheat lines tested contain QPm.caas-4DL, of which seven contain QPm.caas-2BS and nine contain QPm.caas-2BL. Among the 96 spring wheat lines, 18 carry Lr34/Yr18/Pm38, 37 carry Lr46/Yr29/Pm39, and 29 lines possess Sr2/Yr30. These results indicate that molecular-marker-assistant selection in combination with conventional breeding is effective and applicable in developing pleiotropic adult-plant resistance cultivars, which provides a new thought for wheat resistance breeding.

Keyword: Triticum aestivum L.; Pleiotropic resistance; Adult-plant resistance; Stripe rust; Leaf rust; Powdery mildew
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小麦条锈病、叶锈病和白粉病分别由Puccinia striiformis f. sp. tritici、P. triticina f. sp. Tritici和Blumeria graminis f. sp. tritici引起, 具有流行范围广、发生频率高、暴发性强的特点^{[1, 2]}, 严重威胁小麦生产。我国是世界上最大的小麦条锈病流行区域, 主要分布在西北和西南地区, 包括陕西、甘肃、河南南部、湖北、四川和云南等地, 年发生面积约420万公顷^[3]。20世纪80年代以来, 随着矮秆品种的推广、水肥条件的改善和1B/1R易位系抗性的丧失, 白粉病已逐渐成为我国冬麦区的主要病害, 且常年发生, 年发生面积约680万公顷^[3]。近年来, 由于全球气候变暖等原因, 叶锈病在我国有加重的趋势, 流行区域已从西南、西北和长江流域的部分地区扩展到华北和东北地区^{[3, 4]}。因此, 培育兼抗3种病害的品种已成为我国小麦育种的重要目标。
寄主抗性可分为苗期抗性和成株期抗性。苗期抗性又称主效基因抗性或全生育期抗性, 由一个或少数主效基因控制, 对病害表现出高抗或免疫, 对病原菌生理小种选择压力较大, 易引起生理小种变异, 过度应用苗期抗性容易造成品种抗性频繁丧失。成株期抗性也称部分抗性或慢病性, 苗期表现感病, 成株期表现抗病, 由多个微效基因控制, 对病原菌小种专化性较弱, 可减缓病原菌生理小种的变异, 抗性持久且稳定^[5]。我国及世界多数国家都以苗期主效基因抗性利用为主, 培育高抗甚至免疫的品种, 导致品种抗性频繁丧失, 抗病育种始终处于被动状态。早期研究认为, 成株抗性基因作用机制复杂, 这在一定程度上阻碍了成株抗性基因的应用。2005年, 国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)将
4~5个成株抗性基因聚合在同一小麦品种中, 培育出高抗且具持久抗性的成株抗性材料^[6]。近年来, 培育成株抗性品种已成为国际抗病育种的主要方向。
迄今, 国际已正式命名的小麦条锈病抗性基因有70个, 其中Yr18、Yr29、Yr30、Yr36、Yr46、Yr54、Yr59和Yr62为成株抗性基因^{[7, 8]}; 正式命名的小麦叶锈病抗性基因有72个, 其中Lr12、Lr13、Lr22a、Lr22b、Lr34、Lr35、Lr37、Lr46、Lr48、Lr49、Lr67和Lr68为成株抗性基因^{[8, 9]}; 正式命名的小麦白粉病抗性基因有47个, 其中Pm38、Pm39和Pm46为成株抗性基因^{[8, 9]}。Lillemo等^[10]将位于7DS上的成株抗性基因Lr34、Yr18和Pm38定义为同一个兼抗型基因Lr34/Yr18/Pm38。现已开发了Lr34/Yr18/ Pm38的共显性STS标记csLv34^[11], 广泛应用于分子标记辅助育种^[12], 并最终克隆了该基因^[13]。Lillemo等^[10]还将1BL染色体上的Lr46、Yr29和Pm39定义为同一个兼抗型基因Lr46/Yr29/Pm39; 随后开发了其共显性CAPS标记csLV46G2, 并逐步应用于基因检测及分子标记辅助育种(Lagudah, 私人交流)。Lr34/Yr18/Pm38和Lr46/Yr29/Pm39除对上述3种病害表现成株抗性外, 还对秆锈病具有一定的成株抗性, 且常伴随叶尖坏死现象, 可作为田间选择的形态标记^{[10, 14]}。Singh ^[15]发现Lr34/Yr18/Pm38与成株期耐大麦黄矮病基因Bdv1有高度相关性, 7DS染色体区域还存在一个控制小麦斑枯病的Sb1基因^[16], 它们可能与Lr34/Yr18/Pm38是同一基因。兼抗型基因Sr2/Yr30位于3BS染色体上^[17], 其CAPS标记csSr2^[18]已得到广泛应用。Herrera-Foessel等^[19]在小麦品系RL6077中检测到条锈病、叶锈病和白粉病的兼抗基因Lr67/Yr46/Pm46^[20]; Forrest等^[21]借助KASP技术开发了其SNP标记csSNP856, 但由于稳定性差、受群体遗传背景影响较大等原因, 不适用于检测Lr67/Yr46/Pm46基因。
类似Lr34/Yr18/Pm38、Lr46/Yr29/Pm39、Sr2/ Yr30和Lr67/Yr46/Pm46的兼抗型基因的抗性持久稳定, 因其具有一因多效性而倍受育种家重视, 发掘和利用兼抗型成株抗性基因, 并将其用于新品种培育已成为国际发展趋势。自20世纪60年代以来, CIMMYT就开始了成株抗性育种工作, 并成功选育出一批兼抗型品种, 如Chapio、Cook、Pavon 76、Sonoita 81和Tukuru, 在发展中国家大面积推广^[22]。为了从根本上解决我国西南麦区抗病品种抗性频繁丧失的突出问题, 2000年四川省农业科学院与CIMMYT合作开展了条锈病成株抗性育种。中国农业科学院作物科学研究所则以白粉病为主攻方向, 采用成株抗性策略, 在QTL定位的基础上, 培育成株抗性品种, 为抗白粉病育种提供优良材料。本研究选用通过兼抗型成株抗性育种方法培育的冬小麦和春小麦高代品系, 进行田间成株期条锈病、叶锈病和白粉病抗性鉴定, 并利用分子标记检测兼抗型基因Lr34/Yr18/Pm38、Lr46/Yr29/Pm39和Sr2/Yr30的分布, 为我国小麦抗病育种提供可行的兼抗型成株抗性育种方法和优良抗病材料。
1 材料与方法1.1 试验材料包括27份冬小麦和97份春小麦。冬小麦包括21份来自百农64/鲁麦21的高代品系及其亲本, 兼抗型冬小麦品种Strampelli和平原50, 以及用分子标记辅助育种育成的高代品系SD11P421和SD11P423。在对百农64和鲁麦21抗性QTL定位的基础上^{[23, 24]}, 将二者杂交, 进行白粉病成株抗性基因聚合, 在F₂和F₃代淘汰成株期高感病株系, 选择中感至抗病株系继续种植, F₄和F₅代选择抗病株系, 最终育成21份含有1~3个兼抗型成株抗性QTL的F₆抗病品系^[25], 分别命名为BFB5-BFB25。SD11P421和SD11P423是平原50和烟农19杂交并通过回交, 培育的兼抗型成株抗性品系。
春小麦包括96份高代品系和品种Wheatear。2006年, 四川农业科学院用四川品种与CIMMYT已鉴定的兼抗型成株抗性亲本杂交并回交, 采用混合选择法(bulked selection), 将抗性基因导入农艺性状优良、广适性的四川小麦品种, 于2012年育成96份稳定的春小麦高代品系。
1.2 田间抗病性鉴定27份冬小麦于2012— 2013和2013— 2014年度种植于四川郫县和甘肃天水用于锈病鉴定, 以辉县红做感病对照; 2012— 2013和2013— 2014年度种植于河北保定和河南周口用于抗叶锈病鉴定, 以郑州5389做感病对照; 2013— 2014年度种植于北京和贵州贵阳用于抗白粉病鉴定, 以京双16做感病对照。96份春小麦于2013— 2014年度种植于四川郫县和甘肃天水用于抗条锈病鉴定, 种植在河北保定及河南周口用于抗叶锈病鉴定, 种植在北京及贵州贵阳用于抗白粉病鉴定, 采用与冬小麦相同的对照品种。各试验环境采用相同的田间设计, 均为单行区, 3次重复, 行长1.5 m, 行距0.2 m, 每行50粒。田间管理按当地常规。
采用国内外已报道的方法分别进行条锈菌^{[23, 26]}、叶锈菌^[27]和白粉菌^[25]田间接种。其中, 条锈病菌采用混合小种, 郫县点包括CYR29、CYR31和CYR32, 天水点包括CYR29、CYR31、CYR32和CYR33; 叶锈病菌两试点均为强毒性生理小种THTT; 白粉病菌两试点均为强毒性菌株E20。
当对照品种发病完全后开始, 分别记录旗叶和倒二叶上病菌孢子堆面积占总叶面积的百分数, 以最大病害严重度(maximum disease severity, MDS)作为抗病性评价指标^[28]。采用SAS 9.2计算基本统计量, 进行方差分析。
1.3 兼抗基因的分子标记检测由于Lr67/Yr46/Pm46无合适的功能标记, 仅对兼抗基因Lr34/Yr18/Pm38、Lr46/Yr29/Pm39和Sr2/Yr30进行检测。在小麦苗期, 采用CTAB法按系混提基因组DNA, 终浓度30 ng μ L^-1左右。
根据Lagudah等^[11]发表的序列合成Lr34/Yr18/ Pm38共显性STS标记csLv34的引物(csLV34F: 5′ -GTTGGTTAAGACTGGTGATGG-3′ ; csLV34R: 5′ -T GCTTGCTATTGCTGAATAGT-3′ ), 预期扩增产物为150 bp (含目的基因)和229 bp (不含目的基因)。PCR体系共20 μ L, 包括2 μ L 10× buffer、1 U Taq DNA聚合酶(2.5 U μ L^-1, 北京天根公司)、0.4 μ L dNTPs (各10 mmol L^-1)、0.5 μ L引物(4 μ mol L^-1)、50 ng模板DNA。PCR程序为94℃变性1 min, 57℃退火1 min, 72℃延伸2 min, 5个循环; 94℃变性30 s, 57℃退火30 s, 72℃延伸1 min, 30个循环; 最后94℃变性1 min, 57℃退火30 s, 72℃延伸 5 min。
根据Mago等^[18]报道的序列信息合成Sr2/Yr30共显性CAPS标记csSr2 (csSr2F: 5′ -CAAGGGTTGC TAGGATTGGAAAAC-3′ ; csSr2R: 5′ -AGATAACTCT TATGATCTTACATTTTTCTG-3′ )^[18], 含有Sr2/Yr30的纯合株系扩增产物经BspH I酶切呈现3条带(172+112+53 bp), 而不含该基因的纯合株系扩增后酶切产物为2条带(225+112 bp)。PCR体系20 μ L, 包括2 μ L 10× buffer、0.5 U Taq DNA 聚合酶 (2.5 U μ L^-1)、0.2 μ L dNTPs (各10 mmol L^-1)、0.5 μ L引物(4 μ mol L^-1)、100 ng模板DNA。PCR程序为95℃预变性2 min; 95℃变性30 s, 60℃退火40 s, 72℃延伸50 s, 30个循环; 最后72℃延伸5 min。
以CAPS标记csLv46G22检测兼抗基因Lr46/ Yr29/Pm39 (Lagudah, 私人交流)。
所有引物均由北京奥科公司合成。在2.0%琼脂糖凝胶中电泳检测扩增产物, 缓冲液体系为1× TAE溶液, 150 V电压电泳30 min, 溴化乙锭染色。

2 结果与分析2.1 成株期3种病害的抗性鉴定方差分析表明, 冬小麦和春小麦基因型间、年度间和重复间MDS差异显著, 基因型与环境互作显著, 但明显小于基因型间的方差(表1)。27份冬小麦材料的条锈病、叶锈病和白粉病MDS平均值分别为35.5、20.2和10.6, 变异范围分别为3~58、3~36和4~40 (部分数据见表2); 97份春小麦3种病害的MDS平均值分别为10.7、17.6和13.4, 变异范围分别为2~33、0~70和1~82 (部分数据见表3); 3种病害的对照品种辉县红、郑州5389和京双16, 其MDS值在冬小麦组分别为70~100、90~100和75~100, 在春小麦组分别为75~100、90~100和80~100, 说明田间发病充分, 鉴定结果可靠。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 高代品系及品种条锈病、叶锈病和白粉病MDS方差分析 Table 1 Analysis of variance of stripe rust, leaf rust, and powdery mildew in MDS in wheat advanced lines and cultivars 变异来源 Source of variance 条锈病 Stripe rust 叶锈病 Leaf rust 白粉病 Powdery mildew df MS F df MS F df MS F 冬小麦Winter wheat 重复 Replicate 2 2016.7 20.7* * 2 1506.8 23.1* 2 895.6 15.3* 环境 Environment (E) 3 29305.4 242.0* * 3 19856.3 192.8* * 1 13526.8 156.1* 基因型 Genotype (G) 26 1856.9 19.8* * 26 1342.5 18.5* * 26 1246.3 17.6* * 基因型× 环境 G× E 78 282.6 2.1* * 78 242.5 1.9* * 26 125.3 1.0* * 误差Error 214 125.6 214 76.6 106 102.3 春小麦Spring wheat 重复 Replicate 2 1989.3 26.6* 2 1756.3 28.5* 2 1328.5 25.3* 环境 Environment (E) 1 15796.3 123.1* * 1 13258.3 118.2* * 1 14263.2 91.5* 基因型 Genotype (G) 96 1564.3 15.3* * 96 1428.5 20.6* * 96 1250.1 10.6* * 基因型× 环境 G× E 96 369.5 2.6* * 96 258.6 1.9* 96 258.3 1.3* 误差Error 386 189.3 386 152.3 386 166.6 * and * * indicate significance at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. * 和* * 分别表示在 0.05和0.01概率水平显著。

表1 高代品系及品种条锈病、叶锈病和白粉病MDS方差分析 Table 1 Analysis of variance of stripe rust, leaf rust, and powdery mildew in MDS in wheat advanced lines and cultivars

在冬小麦21份BFB育种品系中, BFB10、BFB14和BFB19等17份兼抗3种病害, 占81.0%, BFB9、BFB12、BFB20和BFB24兼抗叶锈病和白粉病, 但不抗条锈病, 占19.0%; 此外, SD11P421和SD11P423对叶锈病有较好的抗性, 白粉病抗性稍差, 中感条锈病。在冬小麦育成品种中, Strampelli兼抗3种病害; 百农64和鲁麦21对叶锈病和白粉病抗性较好, 但对条锈病抗性略差; 平原50对条锈病和叶锈病有较好抗性, 但白粉病抗性较差(表2)。
在96份春小麦品系中, 13EW331、13EW359和13EW419等85份兼抗条锈病、叶锈病和白粉病, 占88.5%; 13AYT45、13EW269和13EW271等6份兼抗条锈病和叶锈病, 但不抗白粉病, 占6.3%; 13EW306、13EW348和13EW435等5份兼抗条锈病和白粉病, 但不抗叶锈病, 占5.2% (表3)。Wheatear也兼抗3种病害。
2.2 兼抗型基因分子标记检测用分子标记检测27份冬小麦材料, 在Strampelli中检测到Lr34/Yr18/Pm38, 在平原50中检测到Lr46/ Yr29/Pm39 (表2), 而在其他冬小麦中未检测到兼抗型基因, 这与前人的研究结果^{[23, 24, 30, 31]}基本一致。Bai等^[25]利用分子标记检测21份冬小麦BFB品系, 发现所有BFB品系均含QPm.caas-4DL, BFB9、BFB12和BFB14等7份还含QPm.caas-2BS, BFB9、BFB19和BFB20等9份还含QPm.caas-2BL。
在本研究的96份春小麦品系中, 13EW329、13EW359和13EW362等18份含Lr34/Yr18/Pm38, 13EW331和13EW332含Lr34/Yr18/Pm38杂合基因型, 13AYT45、13EW269和13EW332等37份含Lr46/ Yr29/Pm39, 13EW271、13EW331和13EW419等6份含Lr46/Yr29/Pm39杂合基因型, 13EW252、13EW300和13EW343等29份含Sr2/Yr30, 13EW356、13EW335和13EW435等25份含2个兼抗型基因, 13EW359含3个兼抗型基因(表3)。其余33份中未检测到目标兼抗基因。

3 讨论3.1 抗性基因来源分析在兼抗型成株抗性育种中, 选择含有成株抗性基因的亲本进行杂交至关重要。若能明确其抗性基因的分布与效应, 则可显著提高育种效率。百农64和鲁麦21是我国黄淮麦区主推品种, 农艺性状优良, 来自百农64的QPm.caas-4DL和鲁麦21的QPm.caas- 2BS、QPm.caas-2BL兼抗白粉病、条锈病和叶锈病^{[23, 24, 29]}。由百农64衍生出来的冬小麦品系BFB5至BFB25在田间兼抗条锈病、叶锈病和白粉病, 均含有1~3个兼抗型QTL^[25], 是农艺性状优良的兼抗型成株抗性育种材料, 其中BFB10、BFB13、BFB14、BFB16和BFB19等株系的抗性和农艺性状尤为突出, 应加大其在育种中的应用。平原50携带QPm.caas- 2BS和QPm.caas-5AL, 兼抗条锈病和白粉病^[30], SD11P421和SD11P423由平原50和烟农19回交转育而成, 对3种病害均有一定抗性, 但由于抗性基因间可能存在互作, SD11P421和SD11P423对条锈病和白粉病抗性相对较差。Strampelli从意大利引入我国后, 50多年来依然保持较好的抗性水平, 主要因为其携带Lr34/Yr18/Pm38等基因^[31], 本试验中也表现高抗3种病害, 但其农艺性状较BFB品系差, 较难在育种上使用。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 冬小麦主要品系条锈病(SR)、叶锈病(LR)和白粉病(PM)的MDS值及兼抗型成株抗性基因 Table 2 Maximum disease severity (MDS) values of major winter wheat lines in response to stripe rust (SR), leaf rust (LR), and powdery mildew (PM) and the presence of pleiotropic resistance genes 品系 Line 来源 Origin 系谱 Pedigree QTL MDS Lr34/Yr18 /Pm38 Lr46/Yr29 /Pm39 Sr2/Yr30 SR LR PM Strampelli 意大利 Italy Libero//SanPastore-14/Jacometti-49 3 11 23 + - - 平原50 Pingyuan 50 中国河南 Henan, China 不详 Unknown 5 20 37 - + - 百农64 Bainong 64 中国河南 Henan, China 百农8717/3/偃大2-629-52/ 石82-5594//百农84-4046-1 Bainong 8717/3/Yanda 2-629-52/ Shi 82-5594//Bainong 84-4046-1 4DL 32 18 12 - - - 鲁麦21 Lumai 21 中国山东 Shandong, China 鲁麦17/豫麦54 Lumai 17/Yumai 54 2BS/2BL 48 8 5 - - - BFB9 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BS/2BL 47 3 8 - - - BFB10 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BS/2BL 23 12 5 - - - BFB12 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BS 46 33 5 - - - BFB13 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BS 32 17 4 - - - BFB14 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BS 25 10 10 - - - BFB15 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL 34 29 4 - - - BFB16 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL 20 20 4 - - - BFB19 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BL 16 21 4 - - - BFB20 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BL 50 26 7 - - - BFB24 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL 43 36 6 - - + BFB25 中国北京 Beijing, China 鲁麦21/百农64 Lumai 21/Bainong 64 4DL/2BL 40 30 4 - - - SD11P421 中国山东 Shandong, China 平原50/烟农19* 3 Pingyuan 50/Yannong 19* 3 4DL 58 26 40 - - - SD11P423 中国山东 Shandong, China 平原50/烟农19* 3 Pingyuan 50/Yannong 19* 3 4DL 52 18 38 - - - “ QTL” stands for pleiotropic resistance QTL, which were mapped by Lan et al.[23, 24]. QTL 4DL is an abbreviation forQPm.caas-4DL, and the rest may be inferred by analogy. The MDS values were the averages over four, four, and two environments for SR, LR, and PM diseases, respectively. Resistance were graded with high resistance (MDS < 20), moderate resistance (20 ≤ MDS < 50); moderate susceptibility (50 ≤ MDS < 70), and high susceptibility (MDS ≥ 70). Symbols “ +” and “ -” indicate the presence and absence of the pleiotropic resistance gene, respectively. “ QTL” 指兼抗型QTL, 由Lan等[23, 24]鉴定, 其中QPm.caas-4DL缩写为4DL, 余此类推。MDS数据分别为4个(SR)、4个(LR)和2个(PM)环境的平均值, 抗病性等级分为高抗(MDS < 20)、中抗(20 ≤ MDS < 50)、中感(50 ≤ MDS < 70)和高感(MDS ≥ 70)。+和-分别表示兼抗基因存在和不存在。

表2 冬小麦主要品系条锈病(SR)、叶锈病(LR)和白粉病(PM)的MDS值及兼抗型成株抗性基因 Table 2 Maximum disease severity (MDS) values of major winter wheat lines in response to stripe rust (SR), leaf rust (LR), and powdery mildew (PM) and the presence of pleiotropic resistance genes

表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 主要春小麦品系条锈病(SR)、叶锈病(LR)和白粉病(PM)的最大病害严重度(MDS)及兼抗型成株抗性基因 Table 3 Maximum disease severity (MDS) values of major spring wheat lines in response to stripe rust (SR), leaf rust (LR), and powdery mildew (PM) and the presence of pleiotropic resistance genes 品系 Line 系谱 Pedigree MDS Lr34/Yr18 /Pm38 Lr46/Yr29 /Pm39 Sr2/Yr30 SR LR PM 13AYT3 1522* 2/Sunco 8 9 18 + h - 13AYT37 Bv98s-3849/G.C.W./Seri/Mian 20/Chuanmai 56 3 16 11 - - - 13AYT4 1522* 2/Sunco 7 5 17 + + - 13AYT45 Ravi1546/Ravi1043 8 37 58 - + - 13EW264 Sw05Rc470/3570* 2 21 27 82 - - - 13EW269 Singh/1231* 2 12 13 47 - + - 13EW271 Singh/1231* 2 13 16 56 - h - 13EW274 Bv98s-3849/G.C.W./Seri/Mian 20/Chuanmai 56 11 18 4 - - - 13EW293 1522* 2/Sunco 7 5 11 + + - 13EW294 1522* 2/Sunco 10 5 10 - + - 13EW306 Ms Song* 2/Nl682//2* 1522 6 48 8 - - - 13EW329 07GH173/1522 9 0 2 + + - 13EW331 07GH304/Chuanmai 56 11 17 11 h h - 13EW332 07GH304/Chuanmai 56 8 13 31 h + - 13EW341 Chuanmai42* 2/3/Pfau/Weaver* 2//Transfer#12, P88.272.2 13 19 2 + - - 13EW346 3570* 2/3/Kiritati//Prl/Pastor* 2 13 5 6 + + - 13EW348 3570* 2/3/Kiritati//Prl/Pastor* 2 5 45 14 - + - 13EW350 Chuanmai 42* 2/3/Pbw343/Wbll1//Pandion 12 32 6 - - + 13EW353 Chuanmai 47* 2/4/Thelin/3/Babax* 2/Lr42//Babax 8 33 11 - - + 13EW356 Chuanmai 47* 2//Toba97/Pastor 10 7 11 - - + 13EW359 3570* 2/3/Kiritati//Attila* 2/Pastor 6 3 1 + + + 13EW361 Yunmai 47* 2/4/Babax/Lr42//Babax* 2/3/Tukuru 23 15 20 - - - 13EW362 Sw1231* 2/3/Kiritati//Prl/Pastor* 2 18 8 2 + - + 13EW365 3570* 2/3/Gan/Ae.squarrosa (408)//Oasis* 2/Borl95* 2 14 20 8 + + - 13EW367 3570* 2/3/Gan/Ae.squarrosa (408)// Oasis* 2/Borl95* 2 9 8 7 + + - 13EW374 Chuanmai 42* 2/3/Pbw343/Wbll1//Pandion 9 26 11 - - + 13EW376 Rc5193-12 9 8 7 - - - 13EW383 Rc4981-1 8 6 2 - - - 13EW403 Chumai 47* 2//Toba97/Pastor 33 23 25 - + + 13EW419 Chuanmai 47* 2//Waxwing* 2/Vivitsi 3 16 13 - h - 13EW435 Chuanmai 47* 2//Waxwing* 2/Vivitsi 2 70 10 - + + Wheatear 13 23 1 - - + The MDS values were the averages over two environments for the three diseases. Resistance were graded with high resistance (MDS < 20), moderate resistance (20 ≤ MDS < 50); moderate susceptibility (50 ≤ MDS < 70), and high susceptibility (MDS ≥ 70). Symbols “ +” and “ -” indicate the presence and absence of the pleiotropic resistance gene, respectively, whereas the letter “ h” indicates heterozygous genotype. 3种病害的MDS数据均为2个环境的平均值, 抗病性等级分为高抗(MDS < 20)、中抗(20≤ MDS < 50)、中感(50 ≤ MDS < 70)和高感(MDS ≥ 70)。+和-分别表示兼抗基因存在和不存在; h表示杂合基因型。

表3 主要春小麦品系条锈病(SR)、叶锈病(LR)和白粉病(PM)的最大病害严重度(MDS)及兼抗型成株抗性基因 Table 3 Maximum disease severity (MDS) values of major spring wheat lines in response to stripe rust (SR), leaf rust (LR), and powdery mildew (PM) and the presence of pleiotropic resistance genes

春小麦品系的兼抗型基因Lr34/Yr18/Pm38主要来自亲本Sunco ^[32]、Kiritati和Borlaug 95, Lr46/Yr29/ Pm39来自亲本Sunco和Pastor ^[33], Sr2/Yr30来自亲本Prl (Singh, 私人交流)。13AYT3、13AYT4、13EW293和13EW294来自1522* 2/Sunco, 其亲本之一Sunco为澳大利亚优质品种, 携带兼抗型基因Lr34/Yr18/Pm38^[32]和Lr46/Yr29/Pm39(Singh, 私人交流); 13EW359和13EW362来自不同组合, 但均含有来自Kiritati的Lr34/Yr18/Pm38; 13EW365和13EW367含有来自Borlaug 95的Lr34/Yr18/Pm38。13EW346和13EW359等品系来自不同组合, 均含有来自Pastor的Lr46/Yr29/Pm39^[33]。13EW346和13EW362等均含有来自Prl的Sr2/Yr30。依据系谱推测, 部分品系可能还含有其他抗性基因, 例如13AYT37和13EW274可能含有来自Seri的兼抗型成株抗性基因, 13EW350和13EW374等可能含有来自Pandion的Yr17和来自PBW343的Yr9和Yr27, 13EW346和13EW359等还可能含有来自Pastor的Yr31, 13EW341、13EW353和13EW361可能含有来自Quaiu 3的Yr54, 13EW410等可能含有来自Fancolin的YrF^[34]。此外, 13EW419等品系中检测到Lr46/Yr29/Pm39和Sr2/Yr30, 由于缺乏资料, 目前还难以确定这些品系中兼抗型基因的来源。
成株抗性基因的加性效应起重要作用^[35], 但我们发现部分品系的抗性效应并不一定与成株抗性基因的数量呈正比, 比如冬小麦品系BFB15和BFB16仅含有QPm.caas-4DL, 但其抗性高于含有多个兼抗QTL的BFB9和BFB25。春小麦13EW383和13EW376品系中未检测到兼抗型基因, 但其抗病性显著高于含有2个兼抗型基因的13EW330和13EW435。究其原因, 可能是目前已发现的兼抗型基因和基因簇中, 只有Lr34/Yr18/Pm38、Lr46/Yr29/ Pm39和Sr2/Yr30具有可以应用的分子标记, 而13EW383和13EW376等品系中可能存在未检测或尚未发现的抗性基因, 同时部分基因间可能存在互作效应, 影响品系抗性。因此, 在未来的抗病育种中, 发掘新的兼抗基因并开发可用的分子标记十分重要。
3.2 兼抗型成株抗性育种方法本研究表明, 无论是在北京以白粉病为目标还是在四川以条锈病为目标的成株抗性育种皆取得了成功, 由于对带有成株抗性亲本的杂交后代选择指标把握得当, 即使群体处理方法不同, 但都育成了兼抗3种病害的成株抗性品系, 并且它们农艺性状优良, 接近生产应用水平, 建议作为育种亲本利用。国际上只有CIMMYT育成并推广了兼抗型成株抗性品种, 本文为国内首次报道有目的的成株抗性育种工作。国内外经验说明兼抗型成株抗性育种方法已经成熟, 可在更多单位推广。我国农家种中成株抗性基因分布频率较高, 但从20世纪50年代开始, 由于追求高抗、免疫, 造成成株抗性基因丢失, 导致现有品种以主效抗性基因为主, 抗性频繁丧失。鉴于目前兼抗型成株抗性育种方法已经成熟, 育种家应改变传统育种策略, 从高抗免疫转向兼抗型成株抗性育种。Lr34/Yr18/Pm38、Lr46/Yr29/Pm39、Sr2/ Yr30和Lr67/Yr46/Pm46已被证实兼抗多种病害, 并且前3个已有可应用于育种的分子标记, 同时还在1B、2B、2D、3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A、6B和7B染色体上发现了多个兼抗型基因簇^{[3, 9]}, 为培育兼抗多种病害的成株抗性品种提供了抗性基因。
由于兼抗型成株抗性基因的效应相对较小, 需采用与主效基因育种不同的方法, 用当地高产感病品种与本文报道的兼抗型品系杂交(也可用农艺性状亲本回交或三交), 主要是扩大分离世代群体规模, 改变选择标准, 在F₂、BC₁F₁或F₃代选择中感或中抗类型, 淘汰含主效基因的高抗单株, 可结合分子标记辅助选择技术提高选择效率, 本课题组已报道过具体实施方案^{[3, 7, 36]}。在高代品系稳定后, 需在多个环境下进行田间表型鉴定, 或者至少在高感病压力病圃中连续鉴定2年, 并利用分子标记检测, 以确认其遗传基础^{[3, 7]}。
我国兼抗型成株抗性育种研究工作起步较晚, 与主效抗性基因相比, 国内外发掘的成株抗性基因有限, 在很大程度上制约了小麦抗病育种发展。近年来SNP技术发展迅速, 小麦90K和630K芯片相继问世, 其衍生的KASP技术逐步应用到实践中, 使成株抗性基因的鉴定更为快速和准确。应充分利用SNP芯片技术的高通量和高密度优势, 发掘与兼抗型基因连锁更为紧密的SNP标记, 以提升筛选效率, 在加大对Lr34/Yr18/Pm38、Lr46/Yr29/Pm39、 Sr2/Yr30和Lr67/Yr46/Pm46等兼抗型基因利用的同时, 加强对来自CIMMYT等国外和我国已有优良抗性品种的抗性鉴定和基因发掘, 并将其用于育种工作。

4 结论在多个环境下对由兼抗型成株抗性育种方法培育的高代品系进行田间成株期条锈病、叶锈病和白粉病抗性鉴定, 并检测其含有的兼抗基因。在选育出的21份冬小麦品系和96份春小麦品系中, 分别有17份和85份兼抗3种病害, 且具有优良农艺性状, 有望成为抗病育种中的重要材料。本研究为我国小麦兼抗型成株抗性育种提供了可行的育种方法和优良的育种材料。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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