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103份小麦品种（系）抗条锈性和遗传多样性评价及基因检测

本站小编 Free考研考试/2021-12-26
徐默然, 蔺瑞明,, 王凤涛, 冯晶,, 徐世昌中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室,北京 100193

Evaluation of Resistance to Stripe Rust and Genetic Diversity and Detection of Resistance Genes in 103 Wheat Cultivars (Lines)

XU MoRan, LIN RuiMing,, WANG FengTao, FENG Jing,, XU ShiChangState Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193

通讯作者: 冯晶,E-mail： jingfeng@ippcaas.cn 蔺瑞明,E-mail： linruiming@caas.cn

责任编辑: 岳梅
收稿日期:2019-08-14接受日期:2019-10-8网络出版日期:2020-02-16
基金资助:国家自然科学基金.31871923
国家重点研发计划.2018YFD0200500
国家重点研发计划.2016YFD0300705
作物种质资源保护与利用专项.2019NWB036-12


Received:2019-08-14Accepted:2019-10-8Online:2020-02-16
作者简介 About authors
徐默然,E-mail：moran0225@163.com。







摘要
【目的】了解小麦品种（系）对条锈病的抗性水平及遗传多样性,掌握条锈病抗性基因的利用情况,为培育和合理利用优良小麦抗条锈病新品种提供理论依据。【方法】选用小麦条锈病流行生理小种CYR32、CYR33和CYR34对103份小麦品种（系）进行苗期抗条锈病分小种鉴定、成株期抗CYR32鉴定,并利用SSR分子标记对其进行遗传多样性分析,进而利用已知小麦抗条锈病基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr18和Yr26的分子标记进行抗条锈病基因检测。【结果】苗期抗性鉴定表明,103份小麦品种（系）对生理小种CYR32表现为抗病的有20份,占供试材料的19.42%;有34份品种（系）对CYR33表现为抗病,占供试材料的33.01%;36份品种（系）对CYR34表现为抗病,占供试材料的34.95%;仅有郑6辐、宁麦3号、老兰麦、京411、京作278、扬麦158共6个品种对生理小种CYR32、CYR33和CYR34均表现抗病。成株期对CYR32抗性鉴定表明郑州021等55份材料表现为成株期抗性,占供试材料的53.40%。遗传多样性分析表明,103份小麦品种（系）的遗传相似系数变异范围为0.50—0.93,平均值为0.66。103份小麦品种（系）聚类分析可分为3大类,第Ⅰ类包含4个品种,分别为花培112-2、尤皮2号、鲁沾1号和Elkhart;第Ⅱ类包含43个品种（系）,其中来自于同一地区的品种（系）或含系谱来源相同的品种（系）聚在一类,说明小麦品种之间的亲缘关系与品种来源有很大的关系;第Ⅲ大类中具有相同系谱的品种（系）都聚在一个亚类,表明同一地区小麦生产品种选育过程中多数使用了相同或亲缘关系相近的材料,导致小麦育成品种之间遗传关系相近。已知抗病基因检测到含有Yr9、Yr10、Yr18和Yr26特征带的品种（系）分别有15、8、19和1份,未检测到含有Yr5和Yr15阳性条带的品种（系）。【结论】供试小麦品种（系）苗期的抗性水平较低,郑6辐、宁麦3号、老兰麦、京411、京作278、扬麦158这6份品种可能含有未知全生育期抗病基因,适用于品种轮换种植防控小麦条锈病;成株期抗性较好,抗性基因检测Yr18使用频率较高。因此,小麦育种工作应充分利用优质已知抗性基因资源,发掘新抗性材料,培育多基因聚合的持久抗性品种。
关键词： 小麦条锈病;抗性鉴定;遗传多样性;Yr基因检测

Abstract
【Objective】The objective of this study is to understand the resistance level to stripe rust and genetic diversity of wheat cultivars (lines), master the utilization of stripe rust resistance genes, and to lay a foundation for wheat breeding and rational utilization of new cultivars with excellent resistance to stripe rust.【Method】A total of 103 wheat cultivars (lines) were identified by physiological races CYR32, CYR33 and CYR34 singly at seedling stage and CYR32 at adult stage. SSR molecular marker technique was used to evaluate the genetic diversity and the molecular markers of the important known resistance genes of wheat stripe rust Yr5, Yr9, Yr10, Yr15, Yr18 and Yr26 were used to detect the stripe rust resistance genes in the tested wheat cultivars (lines).【Result】The identification of seedling resistance showed that 20 out of 103 cultivars (lines) were resistant to physiological race CYR32, accounting for 19.42% of the tested materials; 34 cultivars (lines) showed resistance to CYR33, accounting for 33.01% of the tested materials; 36 cultivars (lines) showed resistance to CYR34, accounting for 34.95% of the tested materials; only six cultivars including Zheng 6 fu, Ningmai 3, Laolanmai, Jing 411, Jingzuo 278 and Yangmai 158 showed resistance to all the three physiological races CYR32, CYR33 and CYR34. The identification by CYR32 at adult stage showed that 55 cultivars (lines) such as Zhengzhou 021 had adult plant resistance, accounting for 53.40% of the tested materials. Genetic diversity analysis showed that the variation of genetic similarity coefficient of 103 cultivars (lines) ranged from 0.50 to 0.93, with an average of 0.66. Cluster analysis found that 103 cultivars (lines) were divided into three categories. The first category included four cultivars, namely Huapei 112-2, Jubilejina Ⅱ, Luzhan 1 and Elkhart. The second category included 43 cultivars (lines), among which the cultivars (lines) from the same region or with the same pedigree source were clustered in the same category, indicating that there was a certain relationship between the genetic relationship and the source. In the third category, the cultivars (lines) with the same pedigree were all clustered in one sub-category, indicating that the same or similar materials were mostly used in the breeding process of wheat cultivars in the same region and it resulted in the similar genetic relationship among wheat cultivars. The detection of known resistance genes suggested that Yr9, Yr10, Yr18 and Yr26 existed in 15, 8, 19 and 1 cultivars, respectively. Yr5 and Yr15 were not detected in the cultivars (lines).【Conclusion】The resistance level of the cultivars (lines) was low at seedling stage. Six cultivars, Zheng 6 fu, Ningmai 3, Laolanmai, Jing 411, Jingzuo 278 and Yangmai 158, may contain unknown all stage resistance genes, which are suitable for the control of wheat stripe rust in cultivar rotation planting. The resistance at adult stage was better and the frequency of Yr18 detection was higher. Therefore, wheat breeding should make full use of high-quality known resistant resources, explore new resistant materials, and cultivate durable resistant cultivars of multi-gene combination.
Keywords：wheat stripe rust;resistance identification;genetic diversity;Yr gene detection


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本文引用格式
徐默然, 蔺瑞明, 王凤涛, 冯晶, 徐世昌. 103份小麦品种（系）抗条锈性和遗传多样性评价及基因检测[J]. 中国农业科学, 2020, 53(4): 748-760 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.007
XU MoRan, LIN RuiMing, WANG FengTao, FENG Jing, XU ShiChang. Evaluation of Resistance to Stripe Rust and Genetic Diversity and Detection of Resistance Genes in 103 Wheat Cultivars (Lines)[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(4): 748-760 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.04.007


0 引言

【研究意义】小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型（Puccinia striiformis f. sp. tritici）引起的一种世界性的真菌病害,破坏力度大,危害我国广大麦区[1]。小麦条锈菌喜好冷凉潮湿的环境,主要通过高空气流远距离传播,伴随降雨或者结露侵染小麦致使小麦发病。近年来,由于小麦条锈菌的不断变异导致新小种的出现及蔓延,使我国大部分主栽小麦品种出现抗病性“丧失”的现象[2],从而造成小麦减产10%—70%,严重时甚至绝收[3]。选育并合理利用优良抗病品种是防治小麦条锈病最有效、安全、经济的方法[4]。【前人研究进展】由于当前流行生理小种CYR32、CYR33、CYR34等的发展和积累,对我国主产麦区小麦安全生产构成重大威胁,并给小麦生产造成重大损失[5,6,7],而且近十几年来,由于在小麦育种中大量使用相同和相近的亲本,导致新育成品种遗传基础日益狭窄、遗传变异率低[8,9]。目前,对当前条锈菌流行生理小种仍保持一定抗病性的主效基因有Yr5、Yr11—Yr16、Yr18、Yr36、Yr39、Yr44、Yr46、Yr48、Yr50、Yr52、Yr69及YrZH84等[10]。分子标记检测是目前分析Yr存在的比较有效的辅助方法,抗条锈病基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr18、Yr26的分子标记已经广泛应用于全世界范围的小麦育种中,通过已知抗病基因的分子标记对品种进行基因检测,有助于明确抗性小麦品种携带的已知Yr。我国科研工作者[11,12,13,14,15,16]对国内各地区的小麦主栽品种进行抗条锈病评价以及抗病基因检测发现四川、甘肃、陕西、黄淮麦区等地小麦品种整体抗条锈病水平较低,与品种审定时相比抗性呈下降趋势,尤其是广泛而单一地利用抗条锈病基因,导致国内抗病品种（基因）布局不合理。同时,小麦品种遗传基础逐渐变得狭窄,将不利于减缓条锈菌生理小种的变异、减轻条锈病的发生。通过广泛分布于小麦基因组且具有较大遗传差异的SSR标记进行品种间遗传多样性分析,评估不同品种之间的亲缘关系以及计算品种之间的遗传距离,与抗病基因连锁分子标记检测相结合的方式进行抗性基因的分析,可大大提高研究的可靠性和准确性,发掘优质小麦材料。【本研究切入点】为了了解小麦品种（系）的抗条锈病整体水平,笔者实验室陆续对收集的小麦品种（系）进行抗条锈性鉴定[17,18],本研究以中国当前主要流行小种CYR32、CYR33和CYR34对103份小麦品种（系）进行苗期、成株期抗病性鉴定,并采用分子标记技术和聚类分析对供试品种（系）进行遗传多样性分析,选用已知重要抗条锈病基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr18和Yr26的分子标记进行基因检测。【拟解决的关键问题】了解小麦品种（系）对我国当前流行小种的抗病水平和抗性类型及所含的重要抗条锈病基因状况,筛选可利用的新抗源,以期为小麦抗病种质资源的选择利用及品种/基因布局与轮换提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的103份小麦品种（系）,感病对照品种铭贤169（Mingxian 169）及Avocet S（AVS）,已知基因载体品系Avocet S*6/Yr5、Avocet S*6/Yr9、Avocet S*6/Yr10、Avocet S*6/Yr18、Avocet S*6/Yr26以及我国当前小麦条锈菌流行生理小种CYR32、CYR33和CYR34均由中国农业科学院植物保护研究所麦类真菌病害研究组提供。

1.2 方法

1.2.1 小麦品种（系）抗条锈病鉴定 在中国农业科学院植物保护研究所人工气候室内进行小麦苗期抗性鉴定。每个供试品种（系）挑选出饱满籽粒30粒左右,分3份分别播种于9 cm×9 cm营养钵中,置于人工气候室内培养,温室温度为15—18℃（昼）/10—14℃（夜）,光照时间为12—14 h·d-1、光照强度为5 000—6 000 lx。待供试品种（系）幼苗第1片叶完全展开,第2片叶刚刚露出时,通过喷雾法将制备好的生理小种CYR32、CYR33和CYR34孢子悬浮液分别接种到供试小麦品种（系）上,以感病品种铭贤169为对照,把小麦苗置于保湿桶内于9—10℃黑暗条件下处理18—24 h,然后转入自控温室内潜育发病;2018—2019年在中国农业科学院植物保护研究所野外科学观测试验站（河北廊坊）科研基地进行生理小种CYR32成株期鉴定。每个品种（系）种植一行,行长3 m,行距0.33 m,每一畦种植60个材料,两侧种植铭贤169作为诱发行,于2019年4月中旬小麦返青拔节期将小麦条锈菌新鲜夏孢子悬浮液均匀喷洒在诱发行叶片上,覆盖塑料布保湿过夜,第2天清晨揭开塑料布;待对照铭贤169充分发病后,按照0—9级标准[19]调查反应型,将0—3级划为免疫或高抗,4—6级划为中抗,7—9级划为感病,以 0、1%、5%、10%、20%、40%、60%、80%和100% 9级标准记载严重度[20]。

1.2.2 SSR检测 待幼苗长至2—3叶取样并采用CTAB法[21]提取并纯化103份小麦基因组DNA,将浓度稀释至50 ng·µL-1备用。随机选取21条染色体上的引物,由擎科生物技术有限公司合成,筛选出36条具有多态性的SSR引物,进一步分析103份品种（系）的遗传多样性。

1.2.3 抗病基因的分子检测 查阅相关文献,筛选检测重要抗条锈病基因Yr5[22]、Yr9[23,24]、Yr10[25]、Yr15[26]、Yr18[27,28]、Yr26[29]的特异性引物（表1）,由擎科生物技术有限公司合成。对供试品种（系）进行PCR扩增,产物进行1.5%琼脂糖或6%聚丙烯酰氨凝胶电泳检测,观察条带特征并统计供试品种（系）抗病基因的特征带出现情况。

Table 1
表1
表1用于检测小麦抗条锈病基因的分子标记
Table 1Molecular markers for the detection of the known resistance genes to stripe rust
基因
Gene		引物名称
Primer name		引物序列
Primer sequence		大小
Size (bp)		参考文献
Reference
Yr5Yr5_insertion_FCTCACGCATTTGACCATATACAACT+1281文献[22] Reference[22]
Yr5_insertion_RTATTGCATAACATGGCCTCCAGT
Yr9AF1/AF4_FGGAGACATCATGAAACATTTG+1500文献[23] Reference[23]
AF1/AF4_RCTGTTGTTGGGCAGAAAG
H20FGTTGGAAGGGAGCTCGAGCTG+1598文献[24] Reference[24]
H20RGTTGGGCAGAAAGGTCGACATC
Yr10Yr10F/Yr10R_FTCAAAGACATCAAGAGCCGC+543文献[25] Reference[25]
Yr10F/Yr10R_RTGGCCTACATGAACTCTGGAT
Yr10F1/Yr10R1_FTTGGAATTGGCGACAAGCGT+755
Yr10F1/Yr10R1_RGTGATGATTACCCACTTCCTC
Yr15Yr15K1-FGGAGATAGAGCACATTACAGAC+992文献[26] Reference[26]
Yr15K1-RTTTCGCATCCCACCCTACTG
Yr18csLV34_FTTGGTTAAGACTGGTGATGG+150文献[27] Reference[27]
csLV34_RTGCTTGCTATTGCTGAATAGT-229
L34SPFGGGAGCA TT A TTTTTTTCCA TCA TG+751文献[28] Reference[28]
L34DINT13R2ACTTTCCTGAAAATAATACAAGCA
L34DINT9FTTGATGAAACCAGTTTTTTTTCTA-523
L34MINUSRTATGCCATTTAACATAATCATGAA
Yr26WE173_FGGGACAAGGGGAGTTGAAGC+451
-730		文献[29] Reference[29]
WE173_RGAGAGTTCCAAGCAGAACAC
“+”：阳性Positive;“-”：阴性Negative

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2 结果

2.1 供试小麦品种（系）抗条锈性鉴定与评价

利用生理小种CYR32、CYR33和CYR34对103份供试小麦品种（系）进行苗期抗条锈病分小种鉴定、成株期接种CYR32进行抗性鉴定（表2）。结果表明供试品种（系）在苗期对3个生理小种的抗病性存在明显的差异,其中,20份品种（系）抗生理小种CYR32;34份品种（系）抗生理小种CYR33;36份品种（系）抗生理小种CYR34,但仅有6份材料对3个生理小种均表现为抗病,占5.83%。成株期CYR32小种抗性鉴定发现55份品种（系）表现为成株期抗性。由此可见,这些小麦品种（系）对当前流行条锈菌生理小种苗期抗性水平较低,而且同一小麦品种（系）对不同的生理小种抗性也存在明显差异。

Table 2
表2
表2103份小麦品种（系）苗期及成株期抗条锈病评价及6个抗条锈病基因的分子检测
Table 2The resistance evaluation of 103 wheat cultivars (lines) to stripe rust at seedling and adult stages and molecular detection of 6 resistance genes
序号
Number		品种（系）
Cultivars (Lines)		苗期
Seedling		成株期
Adult (CYR32)		抗病基因检测
Detection of Yr genes
CYR32CYR33CYR34ITDS (%)Yr5Yr9Yr10Yr15Yr18Yr26
1克珍（黑）Kezhen (black)99911----+-
2陕8242-37 Shaan 8242-3799911------
3郑州021 Zhengzhou 021999320------
4北京14 Beijing 14913/7320----+-
5三月黄小麦Sanyuehuang wheat99735----+-
6大头红麦Datouhongmai99715--+-+-
7晋1348-2 Jin 1348-2937780-+----
8晋876051 Jin 876051911560------
9晋麦18 Jinmai 189/7780------
10鲁沾1号Luzhan 1374310------
11丰抗11号Fengkang 11319320-+----
12郑6辐Zheng 6 fu31111------
13宁麦3号Ningmai 3311//------
14临农13 Linnong 13397760------
15蚂蚱麦Mazhamai264110------
16小红芒麦Xiaohongmangmai3747100------
17白芒麦Baimangmai394530----+-
18老兰麦Laolanmai01111-----+
19南选1号Nanxuan 1197420------
20北京16 Beijing 1671735------
21京作208 Jingzuo 208973320------
22京作210 Jingzuo 210711540------
23京411 Jing 41133200------
24晋麦21 Jinmai 21797740------
25鲁麦17 Lumai 17497420------
264487979100--+---
27竹叶青（白）Zuyeqing (white)915780------
28竹叶青（红）Zuyeqing (red)91735------
29白芒麦（闽）Baimangmai (min)79731--+---
30京春70-5321 Jingchun 70-532149111-+--+-
31苏州7906 Suzhou 7906394210--+-+-
32有芒红8号Youmanghong 8717310------
33丰抗15 Fengkang 15774420----+-
34京花1号Jinghua 1912740-+----
35Elkhart797780------
36卫冬8号Weidong 879415------
3703矮123 03 ai 1237/111-+----
38桥梁BW 30-3 QiaoliangBW 30-3774310------
3982Y 93099711310------
40京品26 Jingpin 26794340------
41古城营Guchengying711/49100------
42北京8号Beijing 871/35------
43西农6028 Xinong 6028797540------
44早洋麦Early piemium711//-+----
45碧玛2号Bima 2795740------
46青春1号Qingchun 1717540------
47丰抗9号Fengkang 9717780-+----
48北京14-2 Beijing 14-2767310------
49京作278 Jingzuo 278313310------
50科春14 Kechun 14/77990------
51丰抗10号Fengkang 107/79100-+----
52晋麦33 Jinmai 33713780-+----
53京红9号Jinghong 9499760------
54扬麦158 Yangmai 158513310------
55山西平遥小白麦Shanxipingyaoxiaobaimai99/9100------
56华北187 Huabei 187997460----+-
57农大311 Nongda 311797780------
58北京5号Beijing 5499780------
59北京6号Beijing 6797560------
60旱选10号Hanxuan 10997980------
61太原116 Taiyuan 16//7//------
62郑州741 Zhengzhou 74179781------
63毕麦6号Bimai 6394220------
64临农11 Linnong 1179700----+-
65云麦27（滇）Yunmai 27 (dian)93/97310------
66平凉32 Pingliang 32717210----+-
67荆州HXB 7561-16
JingzhouHXB 7561-16		994210----+-
68百泉565 Baiquan 565997740--+---
69湘麦10号Xiangmai 1047111----+-
70新郑1号Xinzheng 1997//------
71于城851 Yucheng 85177700------
72南召76144-0-6-1 Nanzhao 76144-0-6-171111-+----
73花培126 Huapei 126799310------
74福农50002 Funong 50002797//--+---
75湘675-1 Xiang 675-1797790--+---
76郑州9285 Zhengzhou 928571111-+----
77商洛76（57）22-8-7-1-2
Shangluo 76 (57) 22-8-7-1-2		774340----+-
78商洛76（57）22-0-8-7-10
Shangluo 76 (57) 22-0-8-7-10		77715----+-
79商洛76（57）22-8-7-1-8
Shangluo 76 (57) 22-8-7-1-8		79711----+-
80商洛76（57）22-0-8-17
Shangluo 76 (57) 22-0-8-17		77715----+-
81金陵1号Jinling 1777//------
82花850512 Hua 85051279735------
83豫822367 Yu 82236771711-+----
84豫85-2325 Yu 85-2325717640-+----
85豫30691-1-4 Yu 30691-1-4797740-+----
86豫30691-1-3 Yu 30691-1-3797110------
87花培112-2 Huapei 112-2797320------
88Catoctin776320------
89Mason79711------
90Norm797340----+-
91早洋麦Early piemium774220------
92尤皮2号Jubilejina Ⅱ79675------
93昌乐5号Changle 5777540------
94济南8号Ji’nan 8797320------
95德选1号Dexuan 1793210------
96红良4号Hongliang 4711440------
97北京11 Beijing 11717320------
98北京12 Beijing 1273715------
99京作236 Jingzuo 236797310--+---
100科冬81 Kedong 81727310------
101有芒白15 Youmangbai 15777310----+-
102有芒白4 Youmangbai 4717320------
103丰抗7号Fengkang 7719780-+----
104铭贤169 Mingxian 1699999100------
“+”：品种（系）中检测到该基因特征带Resistant gene band has been detected in the cultivars (lines);“-”： 品种（系）中没有检测到该基因特征带No resistant gene band has been detected in the cultivars (lines);“/”： 品种（系）抗病性结果缺失Loss of disease resistance results in the cultivars (lines);IT：反应型Infection type;DS：严重度Disease severity

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2.2 供试小麦品种（系）遗传多样性分析

2.2.1 供试小麦品种（系）间遗传多态性分析 随机筛选了小麦21条染色体上的172对SSR引物,36对SSR引物在103份品种（系）间具有稳定清晰的多态性,共检测到130个等位基因变异,平均每对引物检测到的等位基因数为3.6个,变异范围为1—13个,其中Xbarc59检测到的等位基因变异数最多,为13个（图1）。利用软件NTSYS-PC 2.10计算品种（系）间的遗传相似系数,得到其变异范围为0.50—0.93,平均值为0.66。其中北京11和云麦27之间的遗传相似性系数最高,为0.93,而农家品种大头红麦和国外品种Catoctin之间的遗传相似性系数最低,为0.50,说明其遗传距离远,遗传差异大。

图1

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图1引物Xbarc59对1—21份小麦品种（系）的扩增结果

M：DL500;1：豫822367 Yu 822367;2：豫85-2325 Yu 85-2325;3：豫30691-1-4 Yu 30691-1-4;4：豫30691-1-3 Yu 30691-1-3;5：花培112-2 Huapei 112-2;6：Catoctin;7：Mason;8：Norm;9：早洋麦Early piemium;10：尤皮2号Jubilejina Ⅱ;11：昌乐5号Changle 5;12：济南8号Ji’nan 8;13：德选1号Dexuan 1;14：红良4号Hongliang 4;15：北京11 Beijing 11;16：北京12 Beijing 12;17：京作236 Jingzuo 236;18：科冬81 Kedong 81;19：有芒白15 Youmangbai 15;20：有芒白4 Youmangbai 4;21：丰抗7号Fengkang 7
Fig. 1Amplification result of 1 to 21 wheat cultivars (lines) by primer Xbarc59



2.2.2 供试小麦品种（系）基于SSR标记的聚类分析 基于SSR分子标记结果,对供试的103份小麦品种（系）进行聚类分析（图2）。结果显示,103个品种（系）聚为3类,第Ⅰ类包含4个材料,分别为花培112-2、尤皮2号、鲁沾1号以及Elkhart;第Ⅱ类包含43个材料,属于河南省的豫30691-1-4、豫30691-1-3、豫822367和豫85-2325聚在一起;属于陕西省同时来源于同一系谱咸农68/偃大72-629的商洛76（57）22-8-7-1-2、商洛76（57）22-0-8-7-10、商洛76（57）22-0-8-17和商洛76（57）22-8-7-1-8聚在一起;来自国外的3个品种Catoctin、Mason和Norm聚在一起,表明同一地区选育品种过程中使用了相同或亲缘关系相近的材料,导致育成品种之间遗传关系相近,聚为一类。第Ⅲ大类中具有相同亲本北京8号的品种北京16、京作210、京作278、京作208、北京14、有芒红8号、科冬81、北京11、北京12和有芒白15等聚在一起;以有芒红7号/洛夫林10号为系谱的丰抗7、丰抗9、丰抗10和丰抗11聚在一起;以华北187为亲本的旱选10号及华北187选系的北京5号、北京7号等和华北187聚在一起;具有相同系谱的材料都聚在一个亚类,说明生产品种选育过程中多数选择了相近的亲本;在这一亚类中还包含供试材料中的农家品种白芒麦、三月黄小麦、大头红麦、小红芒麦、山西平遥小白麦、古城营等,农家品种分别来自山西、陕西、河北等,说明农家品种的亲缘关系与来源地无关。整体而言,来源于同一系谱或者具有相同亲本的品种,它们之间的亲缘关系较近,导致遗传关系相近,多样性狭窄。

图2

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图2103份小麦品种（系）遗传多样性检测的SSR标记聚类图

Fig. 2Dendrogram of cluster analysis of 103 wheat cultivars (lines) based on SSR markers for the genetic diversity



2.3 抗条锈病基因的分子检测

利用当前小麦抗锈病基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr18和Yr26已开发的特异性分子标记,对供试的103份品种（系）进行抗条锈病基因的检测,可以对其所携带的Yr进行初步筛查,以便确定抗源的开发价值和下一步研究的方向,结果汇于表2。利用FRANCIS等[23]开发的1B/1R易位系SCAR显性标记AF1/4以及LIU等[24]开发的一个1 598 bp的易位系标记H20作为Yr9的基因标记（图3）,结果显示有15份品种（系）含有两对标记的阳性条带;利用SINGH等[25]开发的SCAR标记Yr10F/R及Yr10F1/R1来检测Yr10（图4）,阳性条带分别为543和755 bp,有8份品种（系）含有阳性条带;利用与Yr18共分离的基因特异性标记 Cssfr5以及阳性条带为150 bp的特异性引物csLv34检测Yr18的存在（图5）,共发现有19份品种（系）含有与Yr18相同的阳性条带;利用WANG等[29]根据EST-SSR开发的大小为451 bp的STS 标记WE173检测Yr26（图6）,只有老兰麦含有Yr26阳性条带;利用MARCHAL等[22]设计的特异性引物Yr5_insertion检测Yr5以及利用KLYMIUK等[26]开发的特异性引物Yr15K1来检测Yr15,未检测到供试品种（系）含有这两个基因的特征性条带。

图3

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图3引物H20检测Yr9电泳图

M：DL2000;1：Avocet S*6/Yr9（1 598 bp）;2：AVS;3：H2O;4：晋1348-2 Jin 1348-2;5：京春70-5321 Jingchun 70-5321;6：北京8号Beijing 8;7：丰抗10号Fengkang 10;8：南选1号Nanxuan 1;9：丰抗7号Fengkang 7;10：丰抗9号Fengkang 9;11：早洋麦Zaoyangmai;12：晋麦33 Jinmai 33;13：京花1号Jinghua 1;14：北京16 Beijing 16;15：临农11 Linnong 11;16：郑州9285 Zhengzhou 9285
Fig. 3Electropherogram of Yr9 with primer H20



图4

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图4引物Yr10F/Yr10R 检测Yr10电泳图

M：DL2000;1：Avocet S*6/Yr10（543 bp）;2：AVS;3：铭贤169 Mingxian 169;4：大头红麦Datouhongmai;5：克珍（黑）Kezhen (black);6：448;7：白芒麦（闽）Baimangmai (min);8：苏州7906 Suzhou 7906;9：百泉565（豫）Baiquan 565 (yu);10：福农50002 Funong 50002;11：湘675-1 Xiang 675-1;12：京作236 Jingzuo 236
Fig. 4Electropherogram of Yr10 with primer Yr10F/Yr10R



图5

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图5引物csLV34 检测Yr18电泳图

M：DL2000;1：Avocet S*6/Yr18（150 bp）;2：AVS（229 bp）;3：铭贤169 Mingxian 169;4：克珍（黑）Kezhen (black);5：北京14 Beijing 14;6：三月黄小麦Sanyuehuang wheat;7：大头红麦Datouhongmai;8：白芒麦Baimangmai;9：京春70-5321 Jingchun 70-5321;10：苏州7906 Suzhou 7906;11：丰抗15 Fengkang 15;12：华北187 Huabei 187;13：临农11 Linnong 11;14：平凉32 Pingliang 32;15：荆州HXB7561-16 Jingzhou HXB7561-16;16：湘麦10号Xiangmai 10;17：Norm;18：有芒白15 Youmang white 15;19：商洛76（57）22-8-7-1-2 Shangluo 76 (57) 22-8-7-1-2;20：商洛76（57）22-0-8-7-10 Shangluo 76 (57) 22-0-8-7-10;21：商洛76（57）22-8-7-1-8 Shangluo 76 (57) 22-8-7-1-8;22：商洛76（57）22-0-8-17 Shangluo 76 (57) 22-0-8-17
Fig. 5Electropherogram of Yr18 with primer csLV34



图6

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图6引物WE173 检测Yr26电泳图

M：DL2000;1：Avocet S*6/Yr26（451 bp）;2：R55（Yr26）;3：AVS（730bp）;4：H2O;5：小红芒麦Xiaohongmangmai;6：白芒麦Baimangmai;7：老兰麦Laolanmai;8：南选1号Nanxuan 1;9：北京16 Beijing 16
Fig. 6Electropherogram of Yr26 with primer WE173



3 讨论

3.1 小麦条锈病抗性评价

由于小麦条锈菌毒性变异频繁,品种抗病性丧失较快。因此,对主要麦区的重要推广品种和抗源材料及时进行抗条锈性测定,对品种合理布局和抗源利用显得尤为重要。本研究利用当前流行的条锈菌生理小种CYR32、CYR33以及CYR34对103份小麦品种（系）进行抗性鉴定,其中苗期对参试小种表现为抗病的品种（系）分别有20、34和36份;对于生理小种CYR32表现为全生育期抗性的20份品种（系）,在田间成株期只有15份仍表现抗性,表明有5份品种（系）在田间试验中不再对CYR32表现为抗性,可能是低水平高温成株抗性在田间相对较低的温度下未能完全表达[30]。在103份品种（系）中,仅有郑6辐、宁麦3号、老兰麦、京411、京作278、扬麦158共6份品种对3个生理小种均表现为抗病,且未在其中检测到含有本研究中涉及的已知基因Yr5、Yr9、Yr10、Yr15、Yr18和Yr26,推测6份品种可能含有其他已知基因或者未知抗病基因。郑6辐和宁麦3号是诱变选育出的高产品种。京411是20世纪90年代育成的品种,一直是北部冬麦区广泛使用的骨干亲本。京作278其系谱为北京8号//农大183/早洋麦,扬麦158亲本中含有意大利引进的St 1472/506,而老兰麦是我国的农家品种,这些品种经过历代的选择仍保持着良好的抗性,应加以充分利用。在小麦条锈病防控中,抗病品种轮换种植可以形成群体抗性多样化来控制锈菌群体组成的变化和优势小种形成,防止品种抗性丧失。

供试品种（系）在苗期仍然有近94.17%（包括成株期抗病和感病品种）的品系对至少一个当前流行小种感病。ZENG等[30]苗期接种CYR23、CYR29、CYR32、CYR33和CH42鉴定,发现494个小麦品种中的大多数（71%）表现为感病,只有23个品种（4.7%）对温室中测试的所有5个主要生理小种具有抗性。这一现状令人堪忧,值得重视。因此,从对小麦条锈菌的治理和防控策略出发,当前应该积极在所有这些区域中使用有效全生育期抗性基因与持久的成株期抗性基因组合。使用具有多个或不同抗性基因的抗性栽培种能够减少病原菌的积累,如果品种易受影响,应尽快退出生产。

3.2 遗传多样性分析

SSR标记是一种较为成熟的分子标记技术,分布于小麦的整个基因组中,广泛用于小麦种质资源间遗传多样性、基因检测、种属间的亲缘关系鉴定等方面的研究。高睦枪等[31]利用53对SSR引物对48个品种（系）进行遗传多样性分析,共检测到367个等位变异,遗传相似性系数变异范围为0.75—0.98,认为5个SSR即可将不同品种很好地分类;付宝建[32]对95个品种进行遗传多样性分析,筛选出28条具有多态性的引物,共扩增出227条谱带,品种间遗传相似系数变异范围为0.54—0.96,揭示出供试小麦品种遗传变异较小,遗传基础比较狭窄。

本研究中利用36对引物对103份品种（系）进行遗传多样性分析,共检测到130个等位基因变异,平均每个位点检测到的等位基因数为3.6个,变异范围为1—13个。利用软件NTSYS-PC 2.10计算品种间的遗传相似系数,得到其变异范围为0.50—0.93,平均为0.66。这与傅晓艺等[33]利用21个SSR引物对分析了75份小麦品种的遗传多样性,其遗传相似系数平均为0.66以及赵军海等[34]利用74个SSR引物对103份中国主要优质小麦进行了遗传多样性分析,其品种间遗传相似系数平均值为0.64结果一致。MEGA7聚类结果中,来自于同一地区的品种大多都聚到一类,系谱来源相同的也聚在一类,说明小麦品种（系）之间的亲缘关系与品种来源有很大的关系。根据苗期、成株期抗性鉴定和聚类分析结果,可以从中选择具有不同遗传背景的抗性材料进行组合配置,提高品种的遗传多样性以及抗病性,控制并防止病害的流行。

3.3 已知抗病基因检测

利用已开发的抗病基因特异性分子标记进行抗病基因检测,有助于初步筛查供试材料是否携带某一已知Yr。就目前小麦抗病基因分子检测体系中,由于连锁标记与目标基因还存在一定的距离,因此无论哪类标记,单独使用都不足以判断其是否携带某已知Yr,必须结合抗病谱鉴定以及系谱分析予以辅证。目前,在国际上已经正式命名的80多个小麦抗条锈病基因中,Yr5、Yr15等仍然对目前流行的生理小种保持良好的抗性。本研究中通过对已知基因两侧紧密连锁的分子标记进行分子检测,未检测到含有Yr5和Yr15阳性条带的品种（系）。

含有黑麦1B/1R易位片段的品种（系）作为抗源曾在小麦抗病育种工作中起着积极的作用,在易位片段上有4个抗病基因：Yr9、Lr26、Sr31和Pm8,兼抗条锈、叶锈、秆锈和白粉病,作为主要抗源在全世界广泛应用。但是自从1983年CYR29产生以后,1B/1R给小麦带来的抗性也在逐渐丧失,导致20世纪90年代以来条锈病和白粉病在有些地区大面积流行[35]。黄亮等[13]检测到97份材料中1B/1R易位系占44.3%,这些品种中根据其系谱可知其1B/1R易位系可能来源于洛夫林10、洛夫林13、阿芙乐尔等。本研究中检测到有15份品种（系）含有Yr9阳性条带,其中丰抗7、丰抗9以及丰抗10均来源于同一系谱有芒红7号/洛夫林10号,因此其1B/1R易位系可能来自于洛夫林10。根据苗期抗性鉴定结果可知,这些品种对当前流行小种都表现为感病,因此我国以后应减少Yr9在小麦育种中的使用。

Yr10最初在小麦品系PI 178383中发现,位于1B染色体的短臂上。基于Yr10序列设计的两对引物（Yr10F/R和Yr10F1/R1）[25]对供试品种（系）进行检测,有8份品种（系）检测出Yr10阳性条带,但这8份品种（系）苗期对CYR32和CYR33表现为感病,不符合Yr10的抗性谱,所以不具有Yr10,原因可能是由于在非分离群体中利用分子标记进行筛选时,在不具有抗性基因的材料中检测到标记基因的概率会更大[36]。同时庄巧生[37]认为,在中国小麦育种史上,没有使用Yr10和Yr15的证据。

Yr18是成株期抗病基因,与抗叶锈基因Lr34和抗白粉基因Pm38紧密连锁,慢条锈病性稳定,具有一定的利用价值。成株期抗性鉴定表明有55份品种（系）为成株期抗性,本研究检测到含有Yr18阳性条带的品种（系）有19份,这些品种（系）中未检测到其含有全生育期抗性基因,因此这些品种（系）成株期抗性应为Yr18控制,剩余36份品种（系）中应该含有其他成株期抗性基因。在国内的部分研究中,韩德俊等[38]筛选50份抗原中21份可能携带Yr18;杨文雄等[39]使用STS标记csLV34在231个中国育成品种和422个农家品种中鉴定了Lr34/Yr18,其发现频率分别为育成品种和地方品种的6.1%和89.6%,表明基因高频率存在是由于在中国的育种计划中倾向于使用更容易选择和培育成现有作物品种的显性R基因造成的。

由Triticum aestivum-Haynaldia villosa易位系携带的Yr26位于1B染色体上,目前Yr26对CYR32和CYR33表现为抗病,但是对近年出现的新生理小种CYR34表现为感病,这表明Yr26不能单独使用。通过抗病基因检测发现只有老兰麦含有Yr26阳性条带,其对本试验所测试的生理小种均表现为全生育期抗性。因此,老兰麦的抗性是由一个新的全生育期抗性基因所提供。刘太国等[40]研究表明,自2009年以来在西南地区出现了对Yr26具有毒性的菌株V26,其对Yr10和Yr26具有联合毒性,导致中国生产上应用较多的携带Yr26的92R系和贵农抗源面临抗性丧失的威胁。

通过抗病基因检测分析了103个小麦品种（系）中6个抗性基因的分布,结果与ZENG等[30]的研究结果一致,Yr9和Yr18是鉴定最多的基因,而Yr5和Yr15在少数品种中鉴定出来。目前我国小麦种植存在两个突出的问题,一个问题是一些Yr的过度使用,例如Yr9、Yr10以及Yr24/Yr26,这将导致育种群体中抗性基因的多样性降低,并且不利于培育持久抗病品种;另一个问题是持久抗病基因尚未和一些全生育期抗病基因结合使用,持久抗病基因Yr18在供试品种（系）中占有18.45%,但多数都是单独存在,存在多基因聚合的品种较少。因此,通过抗病基因检测,可以避免一些Yr的过度使用,并且可以有目的地引入持久抗病基因。

4 结论

103份小麦品种（系）对不同生理小种抗性差异大,苗期的抗性水平较低,仅有6个品种郑6辐、宁麦3号、老兰麦、京411、京作278和扬麦158对所有测试生理小种表现为全生育期抗性,其中可能具有新的抗条锈病基因;103份品种（系）成株期抗性较好,对CYR32有55份品种（系）表现为成株期抗性,基因检测成株抗性基因Yr18使用频率较高。在今后小麦育种工作中应充分利用优质已知抗性资源,发掘新抗性材料,选择具有不同遗传背景的抗性材料进行组合配置,提高品种的遗传多样性以及抗病性,培育多基因聚合的持久抗性品种。

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