燕麥抗紅葉病研究進展

郭建國，袁偉寧，趙彤

摘要：對燕麥紅葉病的發病機理、歐美燕麥抗紅葉病育種、燕麥紅葉病抗病基因分子標記等方面的研究進行了綜述。

關鍵詞：燕麥；抗病性；紅葉病；綜述

中圖分類號：S435.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2017）11-0069-03

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.11.022

Research Progress on Resistance to Red Leaf Disease of Oat

GUO Jianguo 1， YUAN Weining 1， ZHAO Tong 2

（1. Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China； 2. Gansu Agricultural Information Center， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract：The pathogonsis of oat red leaf disease， the breeding of resistance to red leaf disease in Europe and America and the molecular market of resistance genes in oat red leaf disease are revieued.

Key words：Oat；Resistance；Red Leaf disease；Overview

燕麥是世界麥類品種改良的先鋒種質和籽實圈窩草種。全球北緯35～60 ℃的40多個國家種植燕麥以六倍體皮燕麥為主，而中國是裸燕麥起源地，常年種植面積約100萬hm2，主要分布于華北冀、晉、蒙，西北六盤山麓陜、甘、寧和云、貴、川高寒山區。然而，西北農牧交錯帶受科技水平因素制約，品種更新換代步伐緩慢，古老品種抗病性退化嚴重，年際溫帶大陸性氣候為大麥黃矮病毒（Barley Yellow Dwarf Virus，BYDV）傳播提供了良好條件，致使燕麥紅葉病流行已成態勢，“隴燕”和“定莜”系列等主栽品種的病株率和嚴重度逐年增加，不僅造成植株韌皮部組織壞死、碳氮代謝紊亂、根際硝酸鹽累積，而且致使光合效能下降，生物量損失30%～75%，嚴重影響燕麥生產安全。基于近年來燕麥紅葉病發病率和嚴重度增加，開展耐病品種鑒選與基因發掘對該病害可持續控制具有重要實踐意義。我們綜述了燕麥紅葉病抗性育種工作進展，旨在挖掘抗病種質與基因資源，為燕麥紅葉病可持續控制提供新材料，緩解抗性品種連續傳代BYDV致病性變異分化與抗病育種工作滯后的生產矛盾，實現燕麥紅葉病綠色防控。

1 燕麥紅葉病的發病機理

選育推廣抗病品種是國際公認綠色防控手段，然而，抗性品系連續傳代易使BYDV分化致病性更強的株系，致使抗病育種工作長期處于不能滿足生產需求的被動地位。隨著全球大氣CO2濃度逐漸增加，植物內源激素平衡失衡與抗氧化防御系統破壞使得作物對病毒的敏感性增強，造成谷類作物病毒病流行呈現加重趨勢。如Malmstrom[1 ]研究發現，CO2富集增加了BYDV在燕麥上的侵染率，造成700 μmol/mol CO2下植株發病率顯著高于350 μmol/mol；Trebicki[2 ]研究發現，650 μmol/mol CO2下小麥植株病毒滴度和癥狀嚴重度高于400 μmol/mol。因此，開展高CO2濃度下燕麥耐BYDV品種鑒選與基因發掘研究具有重要前瞻意義，不僅可緩和當前抗性品種連續傳代BYDV致病性快速變異分化與抗病育種工作滯后的生產矛盾，而且可為聚合耐病基因輔助選擇持久耐病品系奠定基礎，為積極應對氣候變暖背景下作物與病毒競爭共存的協同進化研究提供依據。

2 燕麥抗紅葉病育種研究

歐美國家有關燕麥紅葉病抗病育種的研究表明，燕麥抗BYDV種質匱乏，無免疫和抗病資源，僅發現不實野燕麥（A.sterilis）、裂稃燕麥（A.barbata）、野燕麥（A.fatua）、裸燕麥（A.nuda）和砂燕麥（A.strigosa）等種質耐病，IL 85-1538、IL 86-1150、IL 86-1156、IL 86-4189、IL 86-4407、IL 86-5262、IL 86-5698和IL 86-6404等近等基因系耐病。耐×耐雜交組合F1代超親分離即可產生Yd2基因一樣的抗病性，耐×感雜交組合F1代和F2代群體輪回選擇可以聚合耐病基因，增強耐病性，降低F3代和F4代群體的嚴重度。室內盆栽和田間穴播苗期定量接種是耐病性鑒定的標準程序，3葉期至揚花期目測葉片褪綠變色度和定量測定根系與葉片病毒含量是耐病性初步篩選的有效方法。灌漿期系統調查病株率和嚴重度，計算耐病指數、病情指數和病毒增長曲線；成熟收獲測定農藝參數和產量構成要素等農學指標，以及基本指數、約束指數、Smith指數、累乘指數和最佳線性無偏預測模型[3 ]（Best Linear Unbiased Predictor Model，BLUPs），分析耐病性狀與農藝狀參數相關性。獨立淘汰法輪回選擇成為耐病品種鑒選的有效方法，消除了5級與7級評價體系耐病性遺傳的差異性。然而，燕麥對BYDV具有劑量反應，癥狀形成和產量損失易受株系交叉保護、病毒復制速率與運動速率影響。已知燕麥葉片紅化程度與葉綠素含量負相關，植株矮化度與農藝參數和產量構成要素負相關。BYDV株系較多，PAV和MAV依賴傳播和交叉保護易使表型混雜[4 ]。1葉期混合接種PAV和RPV時，耐、感品系的嚴重度高于單一接種；2葉期接種24 h內感病品系的病毒運動速率顯著高于耐病品系；3葉期接種PAV和MAV 48 h內感病品系的病毒含量顯著高于耐病品系。100頭/株帶毒蚜接種的產量損失高于20頭/株帶毒蚜接種的產量損失；一步式反轉錄聚合酶鏈式反應RT-PCR和多重反轉錄聚合酶鏈式反應M-RT- PCR能夠實時定量檢測植株病毒含量，檢測靈敏度高于酶聯免疫吸附ELISA測定和組織印記免疫TBIA測定，現已成為植株病毒濃度檢測的有效工具。相對而言，國內相關研究僅見于我們的前期工作[5 ]，堆測法穴播、分蘗期接種、0～6級標準評價是成株期抗性鑒定標準程序，地高辛cDNA探針斑點雜交和TaqMan探針RT-PCR檢測是耐病性鑒定評價新興輔助工具[6 ]。借鑒國內外經驗，以花期一致，農藝性狀和表型抗性顯著差異的抗、感病材料為親本，設計抗×感二元組合，開展高和正常CO2濃度下雜交后代F1代和F2代群體耐BYDV持久性檢測評價，約束指數、Smith指數和BLUPs分析耐病性緊密連鎖農藝性狀，卡方檢驗遺傳分離規律，獨立淘汰法輪回選擇出耐、感性狀一致超越親本的子代群體很有意義，可緩和當前抗性品種連續傳代BYDV致病性變異分化與抗病育種工作滯后的矛盾，為QTLs位點標記奠定了一定的基礎。

3 燕麥紅葉病抗病基因分子標記研究

燕麥對BYDV的耐病性是能夠穩定遺傳的生物性狀。Avena sterilis × Lamar耐、感雜交群體耐病性受加性基因控制，Otee、FF64/74、M 921和14492 × Clintland 64耐、感雜交群體耐病性受2～4個基因控制，IL86-8698 × Clintland 64和Kanota × Ogle重組自交系AFLP和RFLP連鎖群分布相似，AFLP連鎖群使RFLP連鎖群更加豐富，可標記更多相關性狀基因。IL86-8698 × Clintland 64耐、感重組自交系耐病主位點A、C、E和微位點R位于六倍體燕麥RFLP連鎖群2、8、36、5位點[7 ]。Kanota ×Ogle重組自交系21個耐病染色體區段分布于16個RFLP連鎖群，多元線性模型是回交育種分子標記選擇最佳方法[7 ]。Ogle × MAM17-5耐、感重組自交系4個耐病數量性狀位點BYDq1，BYDq2，BYDq3 和BYDq4位于OM連鎖群1、5、7和24位點，互相異位顯性，上位效應占總變異50.3%～58.2%，部分耐病QTLs密切連鎖株高和抽穗日數[8 ]。Avena strigosa×Avena wiestii雜交群體2個抗病基因同源序列位于RFLP標記AswBF連鎖群的兩個位點，Kanota × Ogle雜交群體10個抗病基因同源序列位于RFLP標記的8個連鎖群[9 ]。Avena strigosa × Avena wiestii雜交群體Asw連鎖圖具有NBS/PK分析標記184個，MN841801-1× Clintland 64-2雜交群體MN連鎖圖具有NBS/PK分析標記90個[10 ]。3-磷酸甘油醛脫氫酶GAPDH、18S小亞基單位核糖體核酸18S-rRNA、α-微管蛋白TUBA和β-微管蛋白TUBB 等管家基因是BYDV侵染燕麥基因精確表達的重要參考基因[11 - 12 ]，聚合酶鏈式反應—單鏈構象多態性PCR-SSCP分析是寄主感染BYDV后株系毒性變化的定量檢測工具[13 ]。多樣性序列芯片DArT標記為燕麥基因組發現、比較作圖和共識圖譜構建奠定了堅實基礎[14 ]，高密度單核苷酸多態性SNPs標記的全基因組關聯GWAS分析在Mrg17和Mrg04品系共識圖譜3C和18D染色體臂上發現了2個數量性狀位點QTLs[15 ]。因此，以抗、感親本和后代群體F1和F2代材料為對象，DNeasy 96 Kit提取抗、感親本和子代材料DNA后，參考已知抗病基因同源保守序列設計特異引物，以總DNA為模板進行PCR擴增，產物經瓊脂糖凝膠電泳檢測、回收純化構建抗、感文庫，深度測序Illumina HiSeqTM PE 150平臺獲取抗、感親本和子代材料堿基序列，FastQC軟件數據質控，Blast同源比對基因序列，高密度SNPs檢測目的基因遺傳連鎖群，復合區間作圖法組建遺傳連鎖圖譜，結合已知KO、MN和Asw物理圖譜，全基因組關聯GWAS分析，即可定位耐病性狀染色體目標區域和注釋功能基因位點。

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（本文責編：陳 珩）