小麥抗病遺傳多樣性對條銹病的調控效應

陳偉帥, 高 利, 劉太國, 劉 博, 陳萬權

(中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室,北京 100193)

小麥抗病遺傳多樣性對條銹病的調控效應

陳偉帥, 高 利*, 劉太國, 劉 博, 陳萬權*

(中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室,北京 100193)

選用小麥抗條銹病近等基因系的5個品種,進行不同混播處理,研究了混播群體中存在各不同抗病基因時對小麥條銹病的控制效果。試驗結果表明,兩個單基因品種混播多不能顯著降低條銹病的發生,而3個以上單基因品種混播多可顯著降低條銹病的發生,而且4～5個品種混播的REM值也說明多個品種的混播可減少條銹病的發生。但是,防效并非完全與混播基因數目有關,而與基因的類型也有關。不同抗病基因對條銹菌生理小種的選擇存在差異,小麥群體中所含的豐富抗病基因可減緩優勢小種的出現。千粒重數據顯示,品種混播的千粒重高于單個品種。

小麥條銹病; 近等基因系; 混播; 病情指數; 產量

小麥條銹病是由小麥條銹菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)引起的在世界范圍廣泛發生和流行的病害,該病害在全世界小麥主產區一般可造成0.1%～5%的產量損失,部分地區可減產5%～25%[1]。該病害發生面積廣、流行頻率高,在我國危害尤其嚴重[2]。在小麥條銹病的綜合防治上,種植抗病品種被認為是最經濟、有效和環保的措施[3],但是由于小麥條銹菌的毒性易發生變異,導致品種的抗性很容易被新毒性小種所克服,一般3～5年便會喪失抗性[4],降低了抗病品種利用的經濟有效性。

近年來,利用生物遺傳多樣性控制病蟲害有了新的發展。Cox等[5]的研究表明,葉銹病發生嚴重度隨著混合品種中感病品種比例的降低而顯著降低,并高于兩個品種單種的產量。Zhu等[6]發現,水稻的感病品種和抗病品種間栽可有效控制稻瘟病,感病品種比其單作增產89%,并且發病嚴重度降低94%。黃沖等[7]發現,小麥抗感品種混(間)種對本地菌源引起的小麥條銹病有明顯效果,對病害減輕程度為29.6%～81.9%,對外來菌源引起的病害效果較差。郭世保等[8]發現,品種混播以抗感組合較好,且混播小區條銹菌的遺傳多樣性高于單播小區;李進斌等[9]發現,小麥品種混種能有效地減少單個葉片中的小種數,并顯著降低小麥條銹菌優勢小種的出現頻率。但這些報道中,混播的防病效果波動比較大,且有負防效的出現。以往關于小麥混播的研究中,多使用生產品種,遺傳背景以及農藝性狀差異較大,影響結果的因素較多,從而對混播效果進行分析時比較復雜。本研究的選材為小麥近等基因系品種,除抗病基因不同外,其他遺傳背景完全相同,農藝性狀極其相似。故可以排除遺傳背景及農藝性狀不同的影響,從而更容易對混播中抗病基因間的相互作用效應進行研究,從抗病基因方面入手,為利用多樣性控制小麥條銹病提供理論依據與指導。

1 材料與方法

1.1 小麥品種

小麥近等基因系品種Avocet S*6/Yr 1、Avocet S *6/Yr 6、Avocet S*6/Yr9、Avocet S*6/Yr10、Avocet S*6/Yr24,由中國農業科學院植物保護研究所麥類真菌病害課題組提供。

1.2 田間試驗設計

試驗地點設在甘肅省農業科學院植物保護研究所甘谷試驗站,種植時間為2013年10月6日。設置18個處理：

(1)Avocet S*6/Yr 1;(2)Avocet S*6/Yr 6; (3)Avocet S*6/Yr 9;(4)Avocet S*6/Yr 24;(5) Avocet S*6/Yr 10;(6)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6;(7)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/ Yr 9;(8)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9;(9) Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6+Avocet S* 6/Yr 9;(10)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/ Yr 24;(11)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 10; (12)Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 24;(13) Avocet S*6/Yr 24+Avocet S*6/Yr 10;(14)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/ Yr 24;(15)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 24 +Avocet S*6/Yr 10;(16)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 10;(17)Avocet S *6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 24+ Avocet S*6/Yr 10;(18)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/ Yr 24+Avocet S*6/Yr 10。

每處理3次重復,隨機區組排列。小區面積為2 m×3 m,每個小區種植小麥10行,行長2 m,行距0.3 m,小區間距0.6 m,重復間距0.5 m。重復間均勻穴播1行‘銘賢169’為誘發行。播種前測定各品種的發芽率和千粒重,根據混播小區中各組分的發芽率和千粒重,稱取相等有效麥粒數,等比例混合,然后按照每行播種量稱重分裝到行。試驗地采用正常的肥水管理,全生育期內不施用任何殺菌劑。

1.3 接種與病害調查

2014年3月26日進行田間接種。接種選用包含甘肅當地主要流行小種CYR32和CYR33的混合菌,在誘發品種‘銘賢169’幼苗上噴霧接種。

病害調查開始于2014年5月6日,共調查5次,采用五點取樣法,每點調查20株,記載各小區病葉數及嚴重度,每6 d調查一次。

嚴重度分級標準以及病葉率和病情指數的計算均按《小麥條銹病測報調查規范》(GB/T15795-1995)的標準進行。

1.4 產量、千粒重測定

于各小區品字形選3點,每點收取1 m2,應做到所收小麥的長勢均勻。脫粒后曬干篩凈,分別稱重取平均值,然后折算為667 m2產量。從每個小區收獲的種子中隨機取500粒稱重,重復3次取平均值,并折算為千粒重。

1.5 數據處理

用Excel計算病情指數(disease index,DI),病情曲線下面積(area under disease progress curve,AUDPC),相對防效和相對增加率等數據。采用SAS統計軟件進行方差分析。

病情曲線下面積AUDPC的計算公式為：

Xi,Xi+1分別為時間Ti和Ti+1時的病情指數,n為調查次數。

病情指數的計算公式為：

相對防效的計算公式為：

A1：混合種植中AUDPC、病葉率或病情指數的理論值;

A2：混合種植中AUDPC、病葉率或病情指數的實際值。

相對增加率的計算公式為：

A3：混合種植產量、千粒重的理論值;

A4：混合種植產量、千粒重的實際值。

其中理論值是指根據組合中單種的AUDPC、病葉率、病情指數、產量、千粒重,計算出的加權平均數,權數為各組分在該混播組合中所占的比例。

2 結果與分析

2.1 混播對條銹病的防治效果

2.1.1 不同組合混播的病葉率和病情指數

從表1可看出,與病葉率理論值相比,混播小區的病葉率有所降低。13個混播處理中,僅處理8和10是負防效(相對防效值為-3.13%和-7.36%,沒有防治效果),其余的11個混播組合皆為正防效。混播小區病葉率實測值小于理論值的占84.61%,相對防效在2.84%～39.23%之間,故混播能一定程度上降低病葉率,減少條銹病的發生。

通過病情指數可以看出,混播中實測值低于理論值的占53.84%,相對防效為17.87%～79.66%。在所有混播處理中,2品種混播,表現正防效的為處理6、7和11,占42.86%,表現負防效的為處理8、10、12、13,占57.14%;3品種混播,表現正防效的為處理15和16,占50%,表現負防效的為處理9和14,占50%;4品種和5品種混播,即處理17和18,均表現為正防效。

由此可見,3個以下品種混播中,既有正防效也有負防效,而4品種和5品種混播則皆表現為正防效,這表明小麥近等基因系混種,對條銹病的發生有調控作用,具體表現為,在一定程度上,抗病基因越豐富,病情指數越低。

而當組合中抗病基因在3個以下時,有些組合包含的基因數目相同但防效卻有正有負(如組合6和組合8,都是2基因組合,防效卻分別為70.68%和-156.65%),這似乎與上述結論相悖,然而這些組合中盡管基因數目相同,但基因類型卻并不相同,由此可見,并非簡單的混種就能減輕病害,而是與組合中所包含的基因類型有關。如本試驗正防效組合中,多存在Avocet S*6/Yr6和Avocet S*6/Yr 10;負防效組合中多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S* 6/Yr 24。

表1 單播與混播小麥灌漿期病葉率和病情指數1)Table 1 Diseased leaves rate and disease index in the filling stage of mono-and mix-planting wheat

圖1 小麥單播與混播各處理病葉率發展動態Fig.1 Dynamic change of diseased leaves rate by mono-and mix-planting

2.1.2 各處理的AUDPC

混播中AUDPC實測值低于理論值的占53.84%,相對防效在16.96%～76.42%之間。2品種混種中正效應比例42.85%,而3品種混種正效應比例提高為50%,4品種和5品種組合病害均有所減輕。產生負效應的組合中,多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S*6/Yr 24?？共』虻臄的考邦愋途鶗欢ǔ潭鹊赜绊懛佬?。

圖2 小麥單播與混播各處理AUDPC理論值與實測值比較Fig.2 Theoretical and measured AUDPC in treatments of mono-and mix-planting

2.2 混播對產量的影響

有10個組合產量實測值大于理論值(圖3),占76.92%,增幅在3.06%～16.39%之間。但增幅并不顯著。

千粒重實測值大于理論值的組合占92.31%?；觳ヌ幚?、8、9、12、14、16、17、18顯著高于單播3,混播處理15、18顯著高于單播4,混播處理8顯著高于單播2(表2)。因此,混播可一定程度上降低條銹病對產量的影響。

圖3 小麥單播與混播各處理產量理論值與實測值比較Fig.3 Theoretical and measured value of wheat yields by mono-and mix-planting

3 結論與討論

前人有很多品種混種對病害控制作用的研究,不過選材上多集中于生產品種,旨在直接應用于農業種植,各品種都含有多個抗病基因,遺傳背景比較復雜,農藝性狀也多有差異。這使得在多樣性控制條銹病的研究中增加了很多變量。本試驗選用近等基因系品種混播,來研究多樣性對條銹病的調控作用,排除了遺傳背景上的差異,僅有抗病基因的不同,這樣更易研究不同基因之間的相互影響。

以前的研究中,品種混種的防病效果不盡相同,波動較大,有時候甚至出現病害加重的現象。黃沖等[7]的研究表明,混(間)種對病害的減輕程度為29.6%～81.9%。許韜等[10]的研究結果顯示,混種對小麥白粉病的防效在1.23%～56.65%之間,但并非所有組合都表現正效應。這與本試驗結果相似,混播中AUDPC實測值低于理論值的占53.84%,相對防效在16.96%～76.42%之間。這表明利用多樣性防治病害時并不能隨意選擇品種來混種,還需要考慮抗病基因的搭配。

表2 小麥不同品種單播和混播的千粒重1)Table 2 Thousand-grain weight of different wheat varieties by mono-and mix-planting

從影響品種混種防治效果的因素方面,以往研究中多提到其防病效果與品種數目相關。Mundt等[11]認為當混播品種數目在2～4之間時,隨品種數目增加其防病效應提高,當數目增加到5個時,控病效果反而下降。郭世保等[12]的結果表明,在2～4個抗性小麥品種組合中,其混合效應隨混合群體中小麥品種組合數目的增多而增強,當組分數目增加到5個時,混合效應不再繼續增加,在小麥品種搭配上,以抗感搭配效果顯著。陳企村等[13]對7個品種的試驗結果表明小麥品種混種對條銹病的病害防治效應,具有隨組分數目的增加而提高的趨勢。本試驗中,并非所有混種組合的嚴重程度都減輕,相反有的組合發病加重,表現為2～3品種混種中既有正防效又有負防效,這表明防病效果并非簡單地與品種數目有關。而2品種混種中正防效比例為42.85%,3品種混種正效應比例提高為50%,4品種和5品種組合病害均有所減輕。這說明在一定范圍內,抗病基因越豐富,對病害控制作用越好。

此外,2品種和3品種混播中,病害減輕的組合多含有Avocet S*6/Yr 6和Avocet S*6/Yr 10組分,而病害加重的組合中多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S*6/Yr 24組分,這表明,當混播組合中抗病基因較少時,防病效果并非簡單決定于抗病基因的數目,抗病基因的類型也起了重要作用。一些特定的基因搭配,會產生更高的防效。

從千粒重來看,有12個組合實測值大于理論值,占92.31%;產量上,有10個組合實測值大于理論值,占76.92%,故混播可以一定程度上減少產量損失。而且,千粒重增加與產量增加不一致,故此效應并非完全是通過增加千粒重實現的,還有其他因素的影響。

品種混播還會影響到條銹菌群體的變化[1415]。Mundt等[16]認為混合品種對病原菌群體不具有定向選擇作用。李進斌等[9]認為小麥品種混栽能有效地減少單個葉片中的小種數,并能顯著降低小麥條銹菌優勢小種的出現頻率。這與本試驗中4品種和5品種組合病害減輕的現象符合。多個抗病基因的存在能保持病原菌群體的穩定性,減少優勢種的出現。

今年甘肅氣候異常,發病前期氣溫較低,抑制了病害的擴展,5月18日后,氣溫驟升,條銹病迅速發展,有的小區可能超過了其承載能力,致使混種群體完全喪失抗病性,這可能是某些小區防病效果較差的原因之一。

因試驗材料所限,本試驗的混播組合未能選用全組合,所選組合主要集中于2品種和3品種組合;本試驗選用的品種沒有抗病組分,未研究抗感搭配對病害影響。這些研究尚需進一步探索。

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(責任編輯：王 音)

Regulating effects against wheat stripe rust by the genetic diversity of wheat

Chen Weishuai, Gao Li, Liu Taiguo, Liu Bo, Chen Wanquan

(State Key Laboratory for the Biology of Plant Diseases and Insect Pests,Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)

To study the effects of different resistance genes in mixed groups on controlling wheat stripe rust,five cultivars of near-isogenic lines were chosen,each contains a resistance gene.The result showed that two cultivars mixture did not reduce the disease obviously,but three or more cultivars mixture could mostly reduce disease significantly.In addition,the REM value of four and five cultivars mixture showed that multi-species hybrid can reduce the occurrence of stripe rust.However,the control effect was not related to the number of genes completely,but the type of gene was also relevant.Different resistance genes select different physiologic races of stripe rust,which can explain the phenomena that the more resistance genes,the higher probability of disease mitigation,because lot of genes can suppress the occurrence frequency of dominant races.The thousand-seed weight of mix-cultivar was higher than that of the mono-cultivar.

wheat stripe rust; near-isogenic lines; mixed seeding; disease index; yield

S 435.121.42

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.06.034

2014-11-04

2015-03-31

國家“973”計劃項目(2013CB127701,2011CB100403);國家現代農業產業技術體系(CARS-03);北京市科技新星計劃(Z131105000413057)

*通信作者 E-mail：wqchen@ippcaas.cn;lgao@ippcaas.cn