大賴草染色體對小麥農藝性狀和抗病、耐熱性的效應研究

解睿 溫輝芹 裴自友 曹亞萍 程天靈 張立生 李雪 朱玫

摘要：大賴草（Leymus racemosus，2n=4x=28，NsNsXmXm）具有大穗、多花、抗旱和抗多種病害等優良特性，是小麥改良的重要親緣物種。前人已經通過染色體工程育成一批小麥—大賴草異染色體系，但是大賴草染色體對小麥主要農藝性狀、抗病性和耐熱性的效應分析尚鮮有報道。本研究通過人工接種或自然發病抗性鑒定，以分期播種模擬高溫脅迫環境并通過千粒重變化評價耐熱性，收獲后調查主要農藝性狀和再生習性，對10個小麥—大賴草異染色體系和小麥親本‘中國春進行了綜合鑒定。結果表明，10個異染色體系在苗期對白粉病均表現高感，成株期抗性較‘中國春有所改善，但未發現高抗白粉病材料；對條銹病抗性均優于‘中國春。研究還發現，大賴草H染色體有增加穗長、小穗數、提早抽穗期和增加黃矮病抗性的效應，H、A染色體具有增加耐熱性的效應，J染色體對粒長、粒寬和粒厚均有正向效應，A、L染色體含有控制芒的基因，F染色體具有再生性和復小穗基因。綜合上述研究表明，小麥—大賴草異附加系DALr#A、DALr#F、DALr#H、DALr#J可用于小麥農藝性狀、黃矮病、條銹病和耐熱性的抗性改良。

關鍵詞：小麥；大賴草；異染色體系；農藝性狀；抗病性；耐熱性

中圖分類號：S512.1

文獻標志碼：A

論文編號：cjas15010010

0引言

隨著小麥單產水平的提高，育成品種的遺傳基礎日益狹窄，為豐富小麥的遺傳多樣性，培育抗病、抗逆、優質、環境友好型的高產穩產小麥品種，應對未來小麥生產水平面臨生物和非生物脅迫的挑戰，迫切需要從小麥近緣種屬中導入優異基因資源。黑麥是最早也是最成功用于小麥改良的物種，其中很多基因在小麥生產上發揮了重要作用，如黑麥IR染色體攜有抗病、大穗、多小穗基因，其已被廣泛用于育種中，育成為數眾多的高產、抗病、廣適的小麥品種。來源于簇毛麥6VS上的抗白粉病基因Pm21，表現抗性強、抗譜廣，能抗目前流行的所有白粉菌生理小種，同時6VS/6AL易位對后代品系的干粒重表現出了一定的正向效應，已成為育種上重要的抗源材料，并育成‘石麥14、‘揚麥18和‘內麥8號-‘內麥11號等高抗白粉病小麥新品種。中國農科院作物所等單位將中間偃麥草的抗黃矮病基因和冰草的多粒基因導入小麥并育成品種。因此，通過遠緣雜交、染色體工程技術將小麥近緣種屬的優異基因導入到普通小麥基因組內，是拓寬小麥遺傳基礎，提升小麥產量、品質和抗性水平的重要手段之一。

大 賴 草 （Leymus racemosus， 2n=4x=28，NsNsXmXm）為多年生小麥近緣植物，廣泛分布于中亞和東歐，在海岸、沙丘中最為常見。具有大穗、多花、耐鹽、耐瘠、抗旱和抗多種病害等優良特性，前人主要開展了將大賴草抗赤霉病基因導入到普通小麥中的研究，育成了小麥—大賴草附加系、抗赤霉病易位系，定位了耐鋁、耐鹽、減少溫室氣體排放、光合特性和產量性狀效應的染色體。但對大賴草的黃矮病、白粉病、條銹病等抗性及主要農藝性狀、籽粒大小、耐熱性相關基因的染色體定位還未經報道。

本研究通過對大賴草異染色體系農藝性狀和抗病、耐熱性等的調查，了解大賴草不同染色體對小麥性狀的影響，初步定位抗病、耐熱及農藝性狀相關基因所在的染色體，以期為今后進一步利用大賴草進行小麥遺傳改良提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

本研究所用材料見表1，包括‘中國春（ChineseSpring）1份，由本所保存，‘中國春—大賴草異染色體系10份，其中包括9份‘中國春—大賴草二體附加系、1份‘中國春—大賴草二體代換系，由日本鳥取大學辻本壽教授惠贈。附加或代換的大賴草染色體用DALr#或DSLr#加上英文字母來表示。

1.2試驗方法

1.2.1試驗設計 試驗于2013-2014年度在晉中市東陽鎮山西省農業科學院試驗基地溫室大棚和大田進行。溫室大棚于2013年11月23日種植，1行區，每行15株，株距10cm，行距28cm，行長1.5m，2次重復，田間管理按常規進行。大田分兩期春季播種，行距30cm，每行均勻點播30粒種子，行長2m，1行區，2次重復。分別于2014年2月21日（正常播期）和2014年3月21日（第二播期）播種，其中以正常播期代表非脅迫環境，晚播代表高溫脅迫環境。

1.2.2抗病性鑒定 分苗期和成株期在營養缽和溫室大棚接種白粉病菌株E09（由中國農業科學院植物保護研究所周益林研究員提供），鑒定白粉病抗性，分級標準參照盛寶欽等，同時考察大田自然發病情況。利用種植于課題組試驗田中央區的山西省農科院植保所小麥品種條銹病鑒定圃（人工接種條銹病混合菌種）發病后自然傳播，反應型分6級進行條銹病發病鑒定。黃矮病鑒定在臨汾市山西省農科院小麥研究所進行，取感染BYDV的GAV株系的小麥幼苗離體葉段，使麥二叉蚜飼毒24h，4月4日（小麥起身期）對試驗材料全部進行分株接種，每株接種一個葉段，每段蚜量5-8頭，2天后殺滅毒蚜，于5月初調查旗葉發病情況。

1.2.3耐熱性調查和分級 參照張立生等方法，耐熱系數=春播第2期千粒重/春播第1期千粒重。成熟后正常收割，觀察是否有新生分蘗長出及其再生表現，來評價再生性。

1.2.4農藝性狀調查 調查抽穗期（正常春播）、旗葉長寬（溫室），溫室成熟后收獲，測量株高、穗長和小穗數，同時用游標卡尺測量種子長度、寬度和厚度，每份測定10粒。

2結果與分析

2.1大賴草不同染色體對小麥農藝性狀的影響

從表2可以看出，正常春播條件下，H、I、J和N染色體附加對提早抽穗期具有正向效應，其中H染色體附加可以使抽穗期提早3天。除附加系DALr#A、DALr#L表現為有芒外，其他異染色體系均為無芒，推測大賴草第2部分同源染色體上可能攜帶有控制芒的基因。

H和N染色體附加，有降低株高的顯著效應，推測H和N染色體可能攜帶有矮稈基因，H染色體代換卻有增加株高的效應，推測可能是受其他基因的抑制。所有異染色體系的穗長均高于親本‘中國春，說明大賴草A-N染色體對小麥穗長具有正向效應。H染色體代換具有增加小穗數的最大正向效應，僅N染色體對小穗數表現負向效應，可能具有使穗變小的基因。通過對H染色體附加系和代換系穗長和小穗數的比較發現，DALr#H的穗長和小穗數均低于DSLr#H，說明H染色體代換比附加對穗部性狀影響正向效應更大。

籽粒大小與粒重密切相關，6條大賴草染色體對小麥籽粒長度有正向效應，依效應大小為：L>E>J>H>A>K，DALr#L比‘中國春籽粒長度增加21.51%，H染色體的附加或代換對籽粒長度的效應大致相同。僅有DALr#J的籽粒寬度大于‘中國春，2個染色體附加系籽粒厚度高于‘中國春，分別是DALr#1和DALr#J。可以看出，大賴草J染色體對粒長、粒寬和粒厚均有正向效應。

DALr#F表現出再生特性，表明，F染色體含有再生基因，同時，DALr#F有復小穗出現，可以增加單穗粒數，從而增加穗粒重。F、J、K染色體含可增加旗葉長度和寬度的基因，相應的增加了葉面積。

2.2大賴草染色體對抗病、耐熱性的影響

抗病性鑒定結果見表3，可以看出，A-N染色體均沒有增加苗期白粉病抗性的效應，說明不含抗白粉病E09的基因；成株期抗性顯示所有大賴草染色體均提高了對白粉病的抗性，其中，大賴草F-N染色體的效應均高于A和E染色體，但均不含使背景親本‘中國春表現高抗或免疫的基因，說明大賴草的成株期白粉病抗性可能受多條染色體控制。白然發病條件下10個異染色體系的成株期條銹病抗性均優于‘中國春，初步說明附加或代換的大賴草染色體均有增加小麥條銹病抗性的正向效應。大賴草H染色體附加系對黃矮病抗性具有正向效應，而A、E、I、J染色體具有負向效應，通過H染色體的附加系和代換系抗黃矮病性的比較發現，DALr#H抗性高于DSLr#H。

耐熱性分析發現，僅大賴草H和A染色體附加系耐熱系數高于‘中國春，表現耐熱性好于‘中國春，其中DALr#H表現耐熱性1級；其余異染色體系多為2級，僅DALr#L為3級，顯示，L染色體對耐熱性表現負向效應。同時也可以看出，‘中國春作為小麥地方品種，具有一定的耐熱性。

3結論與討論

大賴草作為改良小麥的重要近緣植物，迄今有關小麥-大賴草異染色體系抗白粉病、黃矮病、條銹病、耐熱等特性的研究還未見報道。本研究通過抗病、耐熱性和農藝性狀測定，對小麥-賴草二體附加系和二體代換系進行了初步分析，結果表明，10份異染色體系中均未發現含苗期抗白粉病基因的大賴草染色體，其對白粉病E09小種的抗性均表現為4級（高感）。大賴草H附加系黃矮病抗性、耐熱性都為1級，可能具有提高黃矮病抗性和耐熱性基因。同時，H染色體可以增加穗長和小穗數，通過H染色體的附加或代換可以分別增加穗長4.8cm、5.8cm，增加小穗數3個、6個，H染色體附加還具有提早抽穗期（3天）、降低株高（22.5cm）的效應。發現大賴草L染色體能夠顯著增加籽粒長度，可增加粒長1.28mm，比‘中國春高出21.51%。發現大賴草F染色體具有復小穗和再生性基因，對提高小麥產量潛力具有正效應。

與李玉京研究一致，本研究發現屬于第二部分同源群的A和L染色體附加系均表現有芒，因此，大賴草第二部分同源群染色體含控制芒的基因，同時，發現A染色體含提高耐熱性基因。Lammer等報道長穗偃麥草的分蘗再生特性受其中4E染色體控制，本研究同樣是第4部分同源群的大賴草F染色體附加系具有分蘗再生特性，但同屬第4群的E染色體卻不具有再生特性，推測研究所用四倍體大賴草僅一組染色體與再生性有關。J染色體可分別增加粒長、粒寬和粒厚0.25、0.08、0.06mm，含有增加籽粒大小的基因，從而增加單穗粒重，提高產量。

試驗研究了自然發病條件下條銹病的抗性，需要進一步人工接種鑒定；在對白粉病人工接種時僅利用了流行的白粉病菌株E09，由于條件所限沒有進一步利用其他小種進行鑒定，考慮到白粉病小種的專化性強，今后需要在苗期、成株期接種現有的不同白粉病生理小種，以期了解大賴草染色體對各白粉病、條銹病生理小種的抗性。此外，由于目前現有的小麥-大賴草二體異附加系尚不成整套，已育成的僅有9個，尚缺5個，這對深入發掘和全面準確評價每條大賴草染色體上所含的優異基因極為不利。

小麥的產量是由單位面積穗數、穗粒數和千粒重三要素決定的，適當的增加穗粒數是今后提高小麥產量的關鍵措施。復小穗（正常小穗上附生可育無柄小穗）在不增加穗長的情況下，可以增加穗粒數，從而增加小麥產量。本研究中大賴草F染色體具有產生穩定遺傳、可育同軸節復小穗的染色體效應，因此利用本研究發現的大賴草多花、大穗、大粒、抗黃矮病、耐熱等基因，可進一步選育大穗大粒、抗病、耐熱高產易位系，并利用分子染色體工程技術高效地鑒定、跟蹤和轉移大賴草中的優異基因，使其在小麥遺傳改良中發揮作用。