五個抗稻瘟病基因在浙江省水稻品種中的分布和抗性評價

何海燕，柴榮耀，邱海萍，毛雪琴，王艷麗，孫國倉，*

(1.中國農業科學院 研究生院，北京 100080； 2.浙江省農業科學院 病毒學與生物技術研究所，浙江 杭州 310021； 3.浙江省植物有害生物防控重點實驗室—省部共建國家重點實驗室培育基地，浙江 杭州 310021)

由稻瘟病菌(Magnaporthegrisea)引起的稻瘟病是水稻三大病害之一，其暴發嚴重影響水稻的產量及品質。我國20世紀80—90年代以來流行年份發病面積超過600萬hm2，21世紀以來我國稻瘟病每年發病面積在480萬hm2左右。2014年稻瘟病發病嚴重，浙江省水稻種植區域稻瘟病單位發生面積達到2.33萬hm2，損失超過350 kg·hm-2[1]。除了特殊的氣候因素、稻瘟病預防措施不到位外，主栽品種抗性下降也是稻瘟病重發的重要原因，浙江、江蘇等地都出現了稻瘟菌優勢種群的變化，導致原先抗病的品種突然感病[2]。因此選育抗病品種，并輪換種植是降低稻瘟病流行風險的重要舉措。

目前，水稻育種家致力于培育抗性強及抗譜廣的水稻品種，一些已經被定位和克隆的抗性基因，比如Pi9、Pi2、Pigm、Pi5、Pia等已經在生產上廣泛運用。然而傳統的雜交、回交等育種技術周期長，篩選困難，給育種帶來一些阻礙。一些與稻瘟病抗性基因緊密連鎖或者源于抗性基因本身序列開發的特異性分子標記，為快速、準確、系統地鑒定水稻品種抗瘟基因型，以及高效開展抗稻瘟病基因聚合育種帶來了新的契機。Wang等[3]利用已克隆基因Pita的功能性分子標記檢測水稻品種中Pita基因的攜帶情況，準確有效而且效率頗高。華麗霞等[4]利用GenBank數據庫獲取Pi9、Pi2、Pizt全基因組序列，并且利用Seqman軟件比對日本晴基因組上等位感病基因序列，開發了Pi9、Pi2、Pizt抗性基因分子標記，對101份水稻保持系、恢復系及常規稻品種進行了基因篩查。

孫國昌等[5]利用我國主要稻區的155個稻瘟菌株對13個粳稻品種(已知攜帶單抗性基因)的抗性水平進行了測定，發現對浙江省菌株的抗性情況表現為Pii>Pib>Pit>Pia，菌株毒力頻率分別為35.0%、48.1%、58.9%、88.0%。而20世紀80—90年代，不少基因的抗性發生了很大的變化，本研究利用Pit、Pib、Pii/Pi3/Pi5、Pia、Pi1五個稻瘟病抗性基因功能性分子標記，對浙江省46個水稻主栽品種，包括秈型三系雜交稻、粳型三系雜交稻、秈型兩系雜交稻、粳型常規稻、秈型常規稻等進行了抗瘟基因檢測，并且對這些品種進行了稻瘟菌接種、抗苗瘟水平分析，旨在摸清浙江省水稻栽培品種中5個抗性基因攜帶情況及基因型，初步探討水稻抗性基因基因型和抗瘟水平的相關性，為浙江省稻區抗病育種和合理布局提供依據。

1 材料與方法

1.1 水稻材料及種植條件

本研究所用的水稻品種包括陽性對照材料麗江新團黑谷單基因系品種7個，為Pit、Pib、Pii、Pi3、Pi5、Pia、Pi1基因供體品種IRBt-K59、IRBLb-B、IRBLi-F5、IRBL3-CP4、IRBL5-M、IRBLa-A和IRBL1-CL(由糧食作物“基因對基因”病害農業農村部行業專項提供)；陰性對照材料麗江新團黑谷1份，浙江省水稻主栽品種40份，稻瘟菌鑒別品種6份，由浙江省農業科學院植物與微生物研究所提供，如表1所示。

將水稻種子置于28 ℃浸種2 d后，32 ℃催芽48 h，選取發芽良好的種子穴播于盛有肥沃土壤的育苗盆內，穴間距為5 cm左右，每穴播種發芽良好的種子10粒左右，每盆中分別設感病對照1份，各重復內品種采用隨機排列；2葉期定苗酌施氮肥，促苗以利于做接種試驗。在溫室中培養14 d后，進行樣品采集和接種。

1.2 病原菌材料、培養及接種調查

1.2.1 菌株來源、活化、繁殖和產孢

本試驗采用2016-42-1、2016-36-2、2017-41-3等141個菌株，所有菌株分離自2015—2017年浙江各地采集的稻瘟菌標樣。菌株活化后接種于CM固體培養基上，28 ℃，12 h光暗交替培養10 d后，加入無菌水洗刷孢子，用血球計數板將孢子懸浮液濃度調節至約2×105mL-1的濃度，作為苗期噴霧的接種體。

1.2.2 水稻噴霧接種和發病調查

水稻生長14 d左右，即在幼苗三葉一心期，在孢子懸浮液中加入0.5%～0.8%的明膠進行噴霧接種，每100株苗約30 mL；于26 ℃下黑暗保濕24 h，然后移至28 ℃的高濕(用噴霧器進行不定時噴霧)環境下培育。

表1 供試水稻材料

Table1Rice cultivars used in this study

編號品種名稱編號品種名稱編號品種名稱No.Cultivar nameNo.Cultivar nameNo.Cultivar name1Ⅱ優650 II you 65019秀優378 Xiuyou 37837寧88 Ning 882Y兩優2號 Y liangyou 220浙粳99 Zhegeng 9938甬優1540 Yongyou 15403寧81 Ning 8121甬優12 Yongyou 1239甬優9號 Yongyou 94Y兩優1號 Y liangyou 122甬優15 Yongyou 1540春優927 Chunyou 9275Y兩優689 Y liangyou 68923甬優17 Yongyou 1741合江18 Hejiang 186春優84 Chunyou 8424甬優538 Yongyou 53842四豐43 Sifeng 437豐兩優香1號 Fengliangyouxiang 1 25甬優8 Yongyou 843東農363 Dongnong 3638嘉58 Jia 5826粵優938 Yueyou 93844關東51 Guandong 519EX11927浙優12 Zheyou 1245TTP10浙粳86 Zhegeng 8628浙糯優1號 Zhenuoyou 146珍龍13 Zhenlong 1311內五優8015 Neiwuyou 801529中浙優1號 Zhongzheyou 147IRBLt-K59(Pit)12錢優0508 Qianyou 050830中浙優8 Zhongzheyou 848IRBLb-B(Pib)13錢優1號 Qianyou 131浙粳70 Zhegeng 7049IRBL5-M(Pi5)14錢優930 Qianyou 93032甲農糯 Jianongnuo50IRBLa-A(Pia)15紹糯9714 Shaonuo 971433秀水519 Xiushui 51951IRBL1-CL(Pi1)16深兩優5814 Shenliangyou 581434寧84 Ning 8452IRBLi-F5(Pii)17秀水12 Xiushui 1235秀水134 Xiushui 13453IRBL3-CP4(Pi3)18秀水321 Xiushui 32136嘉禾218 Jiahe 218

編號1-40為浙江省主栽品種，編號41-46為稻瘟菌鑒別品種，編號47-51為麗江新團黑谷單基因系。下同。

No. 1-40 were the main cultivars in Zhejiang Province， No. 41-46 were the identification cultivars of rice blast， No. 47-53 were LTH monogenic line. The same as below.

接種7 d后參照國際稻瘟病苗瘟調查標準[6]調查發病情況。抗性頻率(%)為水稻材料在稻瘟菌接種中表現抗性菌株數與總測定菌株數目之比。

1.2.3 樣品采集及DNA提取

每個品種采集1個單株的2 cm長葉片，放置2 mL離心管(提前放置2～3顆鋼珠)中，用TPS法抽提水稻葉片總DNA。加入100 μL ddH2O(含RNA酶)溶解，37 ℃溫浴40 min，然后-20 ℃保存。

1.3 Pit、Pib、Pii/Pi3/Pi5、Pia、Pi1等5個基因特異性分子標記與檢測

1.3.1 基因特異性分子標記

抗性基因Pit等5個抗性基因使用分子標記的引物序列及擴增多態性差異見表2。引物由上海擎科生物技術公司合成。

1.3.2 基因特異性分子標記的檢測

檢測采用PCR擴增方法。用20 μL PCR反應體系，含1 μL(40 ng)模板DNA，0.5 μL正向引物(10 μmol·L-1)，0.5 μL反向引物(10 μmol·L-1)，10 μL 2×TSINGKE Master Mix，8 μL ddH2O。PCR反應條件：94 ℃預變性2 min；94 ℃變性30 s，50～60 ℃退火30 s，72 ℃延伸1 kb·min-1，35個循環；最后72 ℃ 5 min。凝膠電泳拍照記錄。

2 結果與分析

2.1 浙江省各主栽品種、稻瘟菌鑒別品種和麗江新團黑谷單基因系抗性頻率

本研究對40個浙江省主栽品種，6個稻瘟菌鑒別品種，以及7個含有對應抗性基因的麗江新團黑谷單基因系進行了苗期抗性測定。結果在40個浙江省水稻主栽品種中，秀水321和浙優12兩個品種抗性頻率達到80%以上，占比為5%；Y兩優1號、浙粳86等13個品種抗性頻率在70%～80%，占比為32.50%；Y兩優689、內五優8015等7個品種抗性頻率在60%～70%，占比為17.50%。5個稻瘟病鑒別品種中，抗性頻率最高的是TTP，為54.61%；抗性頻率最低的是合江18，為26.95%。7個麗江黑谷單基因系中，抗性頻率最高的是IRBL1-CL(Pi1)和IRBLt-K59(Pit)，分別為34.75%和32.62%；抗性頻率最低的是IRBLb-B(Pib)，為9.93%。其余幾個單基因系的抗性頻率為15%～31%。鑒定結果如表3所示。

表2 用于PCR反應的分子標記

Table2Functional markers used for resistant gene amplification

基因引物名稱引物序列片段大小抗感性GenePrimer namePrimer sequence(5′-3′)Fragment size/bpResistance and sensibilityPit[7]tRn1F: GTTGGAGCTACGGTTGTTCAG733抗病ResistantR: ATGATAACCTCATCCTCAATAAGTPib[8-9]PibdomF: GAACAATGCCCAAACTTGAGA365抗病ResistantR: GGGTCCACATGTCAGTGAGCLys145F: GAACAATGCCCAAACTTGAGA803感病SusceptibleR: GGGTCCACATGTCAGTGAGCPii/Pi3/Pi5[10]JJ113-T3F: GAACAATGCCCAAACTTGAGA484抗病ResistantR: GGGTCCACATGTCAGTGAGCPia[11]M-PiaF: GAACAATGCCCAAACTTGAGA148/189InDel抗病/感病 Resistant/SusceptibleR: GGGTCCACATGTCAGTGAGCPil[12]M-Pi1F: GAACAATGCCCAAACTTGAGA460抗病ResistantR: GGGTCCACATGTCAGTGAGC

2.2 浙江省主栽品種和稻瘟菌鑒別品種抗瘟基因型及其分布

利用已建立的分子鑒別體系對46個浙江省主栽水稻品種和稻瘟病鑒別品種的基因分布情況進行了研究，獲得了部分稻瘟病抗性基因的分布情況(表4)。結果發現在這46個品種中，有5個品種攜帶Pit抗病基因，有29個品種攜帶Pib抗病基因，有8個品種攜帶Pii/Pi3/Pi5抗病基因，有27個品種攜帶Pia抗病基因，有1個品種攜帶Pi1抗病基因。部分基因抗性分子標記檢測結果如圖1所示。

在檢測的水稻品種中，抗性基因Pib和Pia分布頻率最高，分別為63.04%和58.70%；其次是抗性基因Pii/Pi3/Pi5和Pit，分別為21.74%和10.87%。檢測的浙江省主栽品種都不攜帶Pi1基因，僅稻瘟菌鑒別品種TTP攜帶該基因。各個抗性基因分布頻率如圖2所示。

2.3 浙江省水稻品種中含檢測抗瘟基因數量

對40個浙江省水稻主栽品種和6個稻瘟菌鑒別品種檢出的稻瘟病抗性基因進行數量分析，Ⅱ優650、春優84、嘉58等7個品種同時攜帶了3個抗病基因，占檢測品種比率為15.22%；Y兩優689、內五優8015和紹糯9714等16個品種同時攜帶了2個抗病基因(其中1個為稻瘟菌鑒別品種)，占測試品種的34.78%；有19個品種僅攜帶了1個抗病基因(其中4個為稻瘟菌鑒別品種)，占測試品種的41.30%；還有4個品種未攜帶任何抗病基因(其中1個為稻瘟菌鑒別品種)，其比率為8.70%(圖3)。

表3 浙江省主栽品種、稻瘟菌鑒別品種和麗江新團黑谷單基因系抗性頻率

Table3Resistance frequency of main cultivars in Zhejiang， rice blast identification cultivars and LTH monogenic line

編號抗性頻率編號抗性頻率編號抗性頻率編號抗性頻率編號抗性頻率編號抗性頻率No.Resistancefrequency/% No.Resistancefrequency/% No.Resistancefrequency/% No.Resistancefrequency/% No.Resistancefrequency/% No.Resistancefrequency/% 148.941079.431963.832853.903779.434646.10259.571165.962079.432952.483878.014732.62343.261267.382174.473073.053956.03489.93475.891348.232254.613174.474065.964930.50565.251453.192359.57327.804126.955018.44676.601558.872473.053370.214227.665134.75730.501671.632544.683464.544350.355221.28867.381758.162638.303574.474442.555316.31921.281881.562781.563627.664554.61

品種編號與表1一致。

The No. of rice cultivars was consistent with those in Table 1.

M，DL2000；A，Pit基因抗性分子標記檢測，CK，IRBLt-K59；B1，Pib基因抗性分子標記檢測；B2，Pib基因感性分子標記檢測，CK，IRBLb-B；C，Pii/Pi3/Pi5基因抗性分子標記檢測，CK，IRBL5-M；D，Pia基因抗性分子標記檢測，CK，IRBLa-A；E，Pi1基因抗性分子標記檢測，CK，IRBL1-CL。泳道2，麗江新團黑谷；泳道1-12，部分浙江省主栽品種材料，依次為II優650、Y兩優2號、寧81、Y兩優1號、Y兩優689、春優84、豐兩優香1號、嘉58、EX119、浙粳86、內五優8015、錢優0508。M， DL2000; A， Identification of Pit with resistance molecular markers， CK， IRBL5-M; B1， Identification of Pib with resistance molecular markers， B2， Identification of Pib with susceptible molecular markers， CK， IRBLb-B; C， Identification of Pii/Pi3/Pi5 with resistance molecular markers， CK， IRBL5-M; D， Identification of Pia with resistance molecular markers， CK， IRBLa-A; E， Identification of Pi1 with resistance molecular markers， CK， IRBL1-CL. Lane 2， Negative control， LTH; Lane 1-12， Some main varieties of Zhejiang Province， II you 650， Y liangyou 2， Ning 81， Y liangyou 1， Y liangyou 689， Chunyou 84， Fengliangyou 1， Jia 58， EX119， Zhegeng 86， Neiwuyou 8015， Qianyou 0508， respectively.圖1 五個稻瘟病基因抗性分子標記檢測Fig.1 Detection of 5 rice blast resistance genes by specific molecular markers

表4Pit、Pib、Pii/Pi3/Pi5、Pia和Pi1基因在浙江省主栽品種和稻瘟病抗性品種中的分布及基因型

Table4Distribution and genotypes ofPit，Pib，Pii/Pi3/Pi5，PiaandPi1 in main cultivars in Zhejiang， and rice blast identification cultivars

品種Cultivar基因GenePit PibPii/Pi3/Pi5PiaPi1品種Cultivar基因GenePitPibPii/Pi3/Pi5PiaPi1Ⅱ優650 Ⅱ you 650R_SSR_RRSS甬優538 Yongyou 538SSRRSSRSSSY兩優2號 Y liangyou 2SSSSSSRSSS甬優8 Yongyou 8SSRRSSRSSS寧81 Ning 81SSRRSSSSSS粵優938 Yueyou 938SSSSSSRRSSY兩優1號 Y liangyou 1SSSSSSRSSS浙優12 Zheyou 12SSRRSSSSSSY兩優689 Y liangyou 689SSRSSSRSSS浙糯優1號 Zhenuoyou 1SSRRSSRRSS春優84 Chunyou 84SSRRR_RSSS中浙優1號 Zhongzheyou 1SSRSR_RRSS豐兩優香1號 Fengliangyouxiang 1 SSRSR_SSSS中浙優8 Zhongzheyou 8SSSSR_RRSS

續表4

RR，純和抗病基因型；SS，感病純和基因型；RS，雜合基因型；R_:不明確純合還是雜合的抗病基因型。

RR， Resistant homozygous genotype; SS， Susceptible homozygous genotype; RS， Heterozygous genotype; R_: Resistant genotype with unclear homozygosity or heterozygosity.

圖2 五個抗稻瘟病基因在浙江水稻品種中的分布Fig.2 Distribution of 5 rice resistant genes in rice varieties in Zhejiang

圖3 各水稻品種所含抗性基因數及其所占比率Fig.3 Number of blast resistance genes detected in each rice variety and the percentage

3 討論

自20世紀70年代，中外學者對水稻品種中含有的抗性基因進行分析歸類。山崎等[13]發現抗性基因Pia普遍存在于愛知旭等日本品種中，后來又發現該基因也分布于韓國、中國等東南亞國家水稻品種中，而且在美國播種的水稻品種中也有發現，說明該基因分布相當廣泛。同時，山崎等[13]對石狩白毛品種進行抗性分析，在該品種中發現抗性基因Pii。美國學者Yi等[10]在研究中發現Pi5、Pi3和Pii位于染色體相近位置，且抗譜比較接近，推測3個基因等位或連鎖緊密。本研究發現，Pi5基因的顯形標記適用于其他2個基因，然而3個分別攜帶Pi5、Pi3和Pii基因的麗江新團黑谷單基因系材料抗譜并不一致，Pi5基因的抗性頻率明顯較后兩者高，說明這3個基因在進化歷程中分化比較晚，對稻瘟病菌的抗性卻有了明顯的差異；值得做進一步比較分析，開發能區分3個基因的特異性分子標記。本研究同時分析了46個水稻品種中5個抗性基因位點的攜帶情況，發現品種浙粳99和浙優12僅檢測到其中1個抗性基因，抗性頻率分別達到了79.43%和81.56%；說明這兩個品種中可能還存在其他抗病基因，顯著提升了品種的抗病水平，值得進行進一步研究。研究中發現Pib基因在浙江省主栽品種中分布非常廣，72.5%的浙江省主栽品種攜帶該基因，然而該基因的抗性頻率非常低，僅9.93%，說明這個基因對近3年浙江省品種的抗瘟水平的貢獻非常小，有可能是該基因在過去的某些年里發揮過重要的抗瘟作用，然而近幾年稻瘟菌菌株普遍克服了該抗性基因分泌的效應蛋白。這可能也是某些水稻品種抗瘟水平下降的原因，比如品種寧81，經檢測僅攜帶該抗性基因，其抗性頻率偏低，為43.26%。張善磊等[14]利用分子標記對包含167份長江中下游地區粳稻品種(系)在內的200多份粳稻材料中的4個稻瘟病抗性基因進行了分布情況分析，發現長江中下游材料中有44.31%攜帶Pib基因。在38份只攜帶Pib基因的品種(系)中，33份表現為中感或高感穗頸瘟(感病率為86.84%)。這與本研究結果基本一致。在該研究中，作者還發現，Pi5基因在東北、華北、長江中下游、西北和西南稻區都有一定數量的分布，在日韓的粳稻品種中也有不低的分布水平，說明該基因分布相當廣；30份僅含Pi5單基因的品種中，19份感病(感病率為63.33%)。這與本研究結果也是基本一致的。

本研究中的5個抗性基因麗江黑谷單基因品系抗性頻率都不高(都沒有達到40%)，但是本研究中77.5%浙江省品種的抗性水平都超過了50%，說明抗性基因的聚合顯著提高了品種的抗瘟水平，這也和目前倡導的多基因聚合抗稻瘟病育種的思路相符。浙江省稻區屬于秈稻粳稻混栽區，稻瘟病菌群結構也較復雜[15]，一個抗性品種推廣數年常會引起菌群小種結構變化，導致品種抗性喪失。水稻品種抗稻瘟基因分析是抗病育種和抗病品種合理利用的基礎性工作，目前這項工作仍有待加強[5]。水稻與稻瘟菌長期協同進化過程中形成了兩種免疫機制[16]，即稻瘟菌相關分子誘導的抗病反應機制(PAMP-triggered immunity，PTI)和稻瘟菌效應蛋白誘導的抗病反應機制(effector-triggered immunity，ETI)。其中明晰抗稻瘟病基因與其對應的無毒基因是認識ETI免疫機制的關鍵[17]。目前已經有包括Pi25[18]、Pi35[19]、Pi36[20]和Pi37[21]在內的20多個抗瘟基因被克隆，也有PWL1[22]、PWL2[23]、AvrPi-ta[24]和AvrPi-zt[25]等10個無毒基因被克隆，而且不少于4對R基因和Avr基因的互作模式已被闡述[18]。在抗稻瘟育種方面也有更多新的策略可以選擇；比如全基因選擇育種和靶基因調控育種。Zhao等[26]利用全基因組關聯分析鑒定了5個抗性基因位點，Kang等[27]在其基礎上又鑒定了66個稻瘟病抗性位點，這些都成為全基因組選擇育種的基礎。將新開發的水稻抗瘟育種技術同常規育種程序科學地結合起來，發展出一套高效、系統便于育種家利用的技術體系是未來育種的新思路，然而仍有不少難題有待克服。