小麥已知抗白粉病基因在甘肅省的有效性及其在抗病育種中的利用價(jià)值

王萬(wàn)軍++曹世勤++王曉明++黃瑾++孫振宇++張勃+++賈秋珍++金社林

摘要：2007—2014年，對(duì)收集到的44份已知抗白粉病基因載體品種在甘肅省的不同生態(tài)區(qū)進(jìn)行了成株期抗病性監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：Pm1、Pm3、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8、Pm23、PmEra、Pm33在田間抗病性喪失，失去利用價(jià)值；Pm4a、Pm12、Pm13、Pm16、Pm18、Pm19、Pm2+Pm6、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8在各地田間抗病性分離，不宜應(yīng)用或慎用；其余抗病基因（組合）在田間抗性表現(xiàn)較好，在今后的育種工作中應(yīng)充分加以利用。本研究還對(duì)抗病基因的來(lái)源及抗病基因下一步有效利用等問(wèn)題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：小麥白粉病；抗病基因；有效性；評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)： S512.103.4；S435.121.4+6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）06-0187-03

收稿日期：2015-01-21

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：201303016）；國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31360433）。

作者簡(jiǎn)介：王萬(wàn)軍（1972—），男，甘肅甘谷人，助理農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)作物病蟲(chóng)害防控技術(shù)研究。E-mail：843223350@qq.com。

通信作者：曹世勤，博士，研究員，主要從事農(nóng)作物病蟲(chóng)害防控技術(shù)研究。E-mail：caoshiqin6702@163.com。由專(zhuān)性寄生菌布氏白粉菌[Blumeria graminis （DC.） E. O. Speer]引起的小麥白粉病是危害我國(guó)小麥的最主要病害之一[1]。從20世紀(jì)90年代初期開(kāi)始，由于含有抗病基因Pm8的生產(chǎn)品種及抗源材料在生產(chǎn)及育種上的廣泛應(yīng)用，造成對(duì)Pm8有毒性的Avr8在白粉菌群體中逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，引致攜帶黑麥血緣（1BL/1RS）的品種在生產(chǎn)上喪失抗白粉病性，導(dǎo)致小麥白粉病于1990年和1991年連續(xù)2年在全國(guó)范圍內(nèi)大面積發(fā)生[2]。在甘肅省及天水市，該病也先后多年發(fā)生流行[3-4]，造成了嚴(yán)重的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)損失。目前在甘肅省小麥白粉病常年發(fā)生面積保持在40.0萬(wàn)hm2以上，嚴(yán)重威脅著小麥生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展。

采用化學(xué)防治措施雖然在短期內(nèi)可取得較好的效果，但浪費(fèi)了巨大的人力、物力和財(cái)力，而且對(duì)環(huán)境還將會(huì)造成一定的污染。多年的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植抗病品種是防治該病最經(jīng)濟(jì)有效且有利于保護(hù)環(huán)境的措施。在抗白粉病基因有效性研究方面，自20世紀(jì)90年代始，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者開(kāi)展了已知基因載體品種抗病性評(píng)價(jià)工作，明確了已知基因在當(dāng)?shù)氐挠行訹5-9]。由于各地小麥白粉病菌群體毒性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，病菌群體毒性基因的組成在各地具有較大差異[10]，因此抗病基因在各地的田間抗病性表現(xiàn)也不盡相同。甘肅省于20世紀(jì)末開(kāi)展了已知基因有效性評(píng)價(jià)工作[5]，但從近年來(lái)病菌群體毒性結(jié)構(gòu)看，由于抗源材料和生產(chǎn)品種在生產(chǎn)上應(yīng)用的變化，引致病菌群體也較原來(lái)有了一定程度的變化。進(jìn)一步明確已知基因載體品種的有效性，特別是成株期有效性，將會(huì)指導(dǎo)其在抗病育種上的有效利用，體現(xiàn)其在抗病育種中的利用價(jià)值，為有效指導(dǎo)抗白粉病育種和抗病基因的合理布局，持續(xù)控制甘肅省小麥白粉病的發(fā)生流行提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1供試材料

44個(gè)已知抗白粉病基因載體品種來(lái)自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所小麥病害課題組，其所含抗白粉病基因見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)方法

自2007年開(kāi)始，在甘肅省不同生態(tài)區(qū)的甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所甘谷試驗(yàn)站（海拔1 270 m，A）、甘谷縣新興鎮(zhèn)五甲莊鐵路南（海拔1 270 m，B）、甘谷縣白家灣鄉(xiāng)東三十里鋪村（海拔1 680 m，C）、甘谷縣古坡鄉(xiāng)魏家坪村（海拔 1 920 m，D）、天水市秦州區(qū)汪川良種場(chǎng)（海拔1670 m，E）、隴南市成縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心（海拔1 220 m，F(xiàn)）、隴南市武都區(qū)東江隴南市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所（海拔980 m，G）、定西市臨洮農(nóng)業(yè)學(xué)校（海拔1880 m，H）、臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所（海拔 2 060 m，I）、平?jīng)鍪星f浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心南湖試驗(yàn)站（海拔1 790 m，J）、平?jīng)鍪徐o寧縣種子管理站（海拔1 850 m，K）和白銀市景泰縣草窩灘鎮(zhèn)長(zhǎng)城村（海拔1 420 m，L）等12個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置病圃。各試驗(yàn)點(diǎn)中，A、B、F、G試驗(yàn)點(diǎn)代表甘肅隴南麥區(qū)低海拔川道區(qū)，C、E試驗(yàn)點(diǎn)代表甘肅隴南麥區(qū)半山區(qū)，D試驗(yàn)點(diǎn)代表甘肅隴南麥區(qū)高山區(qū)，H、I試驗(yàn)點(diǎn)代表甘肅中部麥區(qū)冬春麥混作區(qū)，J試驗(yàn)點(diǎn)代表甘肅隴東干旱麥區(qū)，K試驗(yàn)點(diǎn)代表春季播種區(qū)。

冬季播種于每年9月中旬至10月下旬在各試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行，春季播種于當(dāng)年3月中旬進(jìn)行。每品種每試驗(yàn)點(diǎn)播種1行，行長(zhǎng)1 m，行距30 cm，每20行種植1行感病品種輝縣紅或Chancellor作為發(fā)病對(duì)照，病圃四周再播種2～3行感病品種作為保護(hù)行和誘發(fā)行，于當(dāng)年小麥白粉病發(fā)病的高峰期（5月中旬至7月上旬），按照0～9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，進(jìn)行逐品種調(diào)查記載。其中0級(jí)為免疫；1～2級(jí)為高抗，3～4級(jí)為中抗，5～6級(jí)為中感，7～8級(jí)為高感，9級(jí)為極感。

1.3數(shù)據(jù)分析

為分析方便，按照0和1標(biāo)準(zhǔn)，將田間病級(jí)0～4級(jí)劃分為0，5～9級(jí)級(jí)劃分為1。利用Excel 2003和DPS 3.01軟件，進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析。

2結(jié)果與分析

2.1田間抗病性評(píng)價(jià)

由表1結(jié)果可見(jiàn)，Pm1、Pm3、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8、Pm23、PmEra、Pm33在甘肅各地田間總體抗病性較低，失去利用價(jià)值。Pm4a、Pm12、Pm13、Pm16、Pm18、Pm19、Pm2+Pm6、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8在甘肅隴南、中部、隴東干旱麥區(qū)及沿黃灌區(qū)春麥區(qū)田間抗病性差異較大，部分基因（組合）在當(dāng)?shù)乜共⌒韵鄬?duì)較低，對(duì)其的利用要針對(duì)當(dāng)?shù)乜共⌒赃M(jìn)行。其余基因（組合）抗病性較好，可在育種及生產(chǎn)中充分利用。

2.2聚類(lèi)分析

由圖1結(jié)果看出，在λ=0.85時(shí)，將已知基因載體品種劃分為2個(gè)大的類(lèi)群，其中感病點(diǎn)率≥4為一類(lèi)群，感病點(diǎn)率<4為另一類(lèi)群。在λ為0.8以下時(shí)，又劃分為多個(gè)小的類(lèi)群。

3結(jié)果與討論

3.1抗病基因來(lái)源

截至目前，國(guó)際上已先后命名了60個(gè)小麥白粉病抗性基因（包括復(fù)等位基因），還有20余個(gè)尚未命名的新基因。在這些基因中，一類(lèi)來(lái)自普通小麥，主要有Pm1、Pm3、Pm5、Pm9、Pm10、Pm11、Pm14、Pm22、Pm23、Pm24等；一類(lèi)來(lái)自小麥近緣種，如栽培（野生）一粒小麥、斯卑爾脫小麥、栽培（野生）二粒小麥、波斯小麥、提莫菲維小麥等，主要有Pm1b、Pm1d、Pm4a、Pm4b、Pm6、Pm16、Pm18等；第3類(lèi)來(lái)自小麥近緣屬如黑麥、擬斯卑爾脫山羊草、高大山羊草、粗山羊草、簇毛麥等，主要有Pm7、Pm8、Pm12、Pm13、Pm20、Pm21等。在這些已定名的、在國(guó)內(nèi)有大量種質(zhì)材料的基因載體品種中，Pm9沒(méi)有單獨(dú)的載體，Pml0，Pmll、Pml4和Pml5是抗偃麥草白粉病的專(zhuān)化抗性基因，不抗小麥白粉病，在生產(chǎn)上沒(méi)有利用價(jià)值，Pml7抗譜狹窄，利用價(jià)值不大。

3.2熱門(mén)抗病基因在抗病育種中的應(yīng)用及在病害流行中的風(fēng)險(xiǎn)

小麥白粉病菌具有有性生殖階段，且病菌適應(yīng)范圍廣，因此病原菌毒性群體結(jié)構(gòu)豐富，毒性變異快。在生態(tài)條件和溫濕度條件適合的甘肅隴南，白粉病菌毒性變異更是如此。如自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始含有黑麥血緣的骨干抗源材料牛朱特、高加索、阿芙樂(lè)爾和洛夫林在甘肅隴南抗病育種中的廣泛利用，引致對(duì)Pm8有毒性的Avr8毒性頻率的快速上升，造成含有這些骨干親本血緣的子代材料抗病性喪失，造成小麥白粉病的大流行。自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，由于來(lái)自簇毛麥血緣的、以南農(nóng)92R為代表的、對(duì)國(guó)內(nèi)諸多白粉病菌均表現(xiàn)免疫的Pm 21在抗病育種中的廣泛利用，國(guó)內(nèi)育種單位以此為骨干親本，先后選育出蘭天24、蘭天17、中梁29、內(nèi)麥9號(hào)、內(nèi)麥10 號(hào)、內(nèi)麥11號(hào)等多個(gè)品種，在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用。熱門(mén)抗源材料的過(guò)度利用或其衍生材料的大面積推廣種植，必將加速白粉病菌定向選擇的部分，產(chǎn)生對(duì)該基因有毒性的新的白粉病菌致病菌系，導(dǎo)致抗病基因抗性喪失而失去利用價(jià)值。同時(shí)對(duì)含有這些基因的生產(chǎn)品種造成巨大威脅，有可能引致小麥白粉病再一次在甘肅省及全國(guó)范圍內(nèi)的大流行。近年來(lái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘肅省小麥白粉病菌對(duì)Pm21的毒性頻率已由20世紀(jì)初的0上升為2009年的20.8%。這與育種及生產(chǎn)上大面積推廣種植含有這些抗病基因的品種（系）有很大關(guān)系。因此若條件適宜，小麥白粉病必將在甘肅省及全國(guó)范圍內(nèi)大面積流行，應(yīng)引起育種和生產(chǎn)部門(mén)的高度關(guān)注。在今后的工作中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)抗白粉病的育種和抗病品種推廣工作，充實(shí)甘肅省抗病基因豐富度和抗病品種遺傳多樣性，以解除潛在的危機(jī)[12]。

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)由于抗源及種植品種的改變，造成甘肅部分抗病基因（組合）Pm4a、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8等抗病性變異明顯[5，13]，由原來(lái)的抗病變?yōu)楫?dāng)前感病，逐步失去利用價(jià)值。

多基因組合品種對(duì)于小麥白粉病的防治十分有效，進(jìn)行抗病基因的有效聚合，將會(huì)延長(zhǎng)品種使用年限，提高抗病基因（組合）的利用價(jià)值。如Bennet研究發(fā)現(xiàn)，Maris Huntsman（Pm2+Pm6）在英國(guó)種植多年，抗白粉病仍然保持較好，就是一個(gè)很好的例證[14]。因此育種部門(mén)應(yīng)盡可能利用抗源材料通過(guò)基因累加，盡快將抗譜上互補(bǔ)的基因進(jìn)行聚合，同時(shí)借助分子生物學(xué)技術(shù)，進(jìn)行輔助育種，才有望培育出較為持久的抗性品種。

3.3成株期多年多點(diǎn)鑒定在抗病基因利用中的作用

已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘肅生態(tài)條件復(fù)雜，各生態(tài)區(qū)病菌毒性結(jié)構(gòu)不一。因此僅在一地或單年進(jìn)行抗病性變異監(jiān)測(cè)，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)抗病基因的抗病性狀況，同時(shí)不能準(zhǔn)確、及時(shí)地監(jiān)測(cè)到品種抗性變異信息。不能及時(shí)指導(dǎo)抗病品種及抗源材料利用，對(duì)指導(dǎo)抗病育種工作和抗病品種的合理布局不能起到較好的指導(dǎo)意義。

3.4 抗病性監(jiān)測(cè)與聚類(lèi)分析相結(jié)合在生產(chǎn)實(shí)踐中的意義

本試驗(yàn)將基因抗病性監(jiān)測(cè)與聚類(lèi)分析相結(jié)合，可更好地評(píng)價(jià)基因的有效性。為豐富和實(shí)現(xiàn)甘肅省小麥品種抗白粉病基因的多樣化，生產(chǎn)和育種中可依據(jù)供試品種（系）連鎖距離的不同，在不同生態(tài)區(qū)進(jìn)行品種合理搭配、布局并進(jìn)行抗病育種，為小麥白粉病的持續(xù)控制和抗病品種的更好利用打下良好基礎(chǔ)。

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