甘肅36個小麥生產品種抗葉銹病基因分析及成株期抗性評價

黃瑾　金社林　曹世勤　賈秋珍　駱惠生　張勃　孫振宇　王曉明

摘要 為明確甘肅省主要小麥品種可能含有的抗葉銹病基因狀況，用來自甘肅不同地區的22個小麥葉銹菌生理小種，在苗期對測試品種進行抗葉銹基因推導，并對這些材料進行成株抗葉銹性鑒定。結果表明，在已知抗葉銹病基因中，Lr2B、Lr13、Lr16、Lr22A、Lr30和Lr14B等基因以單基因或基因組合的形式分別分布在‘靈選6號‘會寧15‘蘭天37‘隴鑒113‘蘭天151‘蘭天134和‘蘭天40等7個小麥品種中。‘隴鑒111‘蘭天31‘隴鑒9343‘天選67和‘天選65等14個品種可能含有與供試已知基因不同的抗性基因，‘中梁35‘隴鑒110‘隴原931和‘天選57等15個小麥品種推導其不含有供試的抗葉銹病基因。成株期抗葉銹性鑒定表明：‘隴原931‘隴鑒9343‘天選57‘天選67‘蘭天31‘臨麥22‘蘭天134‘蘭天151‘隴鑒113‘隴麥838和‘中梁35具有較好的成株期抗性，具有抗葉銹病應用潛力。

關鍵詞 小麥葉銹病; 基因推導; 抗病基因; 小麥葉銹菌

中圖分類號： S 435.121.43

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2019186

Postulation of leaf rust resistance genes of 36 wheat cultivars developed in

Gansu and their resistance evaluation at adult-plant stage

HUANG Jin， JIN Shelin*， CAO Shiqin， JIA Qiuzhen， LUO Huisheng，

ZHANG Bo， SUN Zhenyu， WANG Xiaoming

（Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China; Scientific Observing

and Experimental Station of Crop Pests in Tianshui， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tianshui 741299， China）

Abstract

In order to clarify the leaf rust resistance genes in the wheat cultivars developed in Gansu， 36 wheat cultivars were selected to postulate the possible resistance genes contained by inoculating with 22 races of Puccinia recondita f.sp. tritici at seedling stage， and their leaf rust resistance was evaluated at adult-plant stage with artificial inoculation. The result showed that six leaf rust resistance genes Lr2B， Lr13， Lr16， Lr22A， Lr30 and Lr14B either singly or in combination were postulated in 7 cultivars， such as ‘Lingxuan 6‘Huining 15‘Lantian 37‘Longjian 113‘Lantian 151‘Lantian 134 and ‘Lantian 40. The fourteen cultivars such as ‘Longjian 111‘Lantian 31‘Longjian 9343‘Tianxuan 67‘Tianxuan 65 etc. were deduced containing other genes different from the 42 known Lr genes used in this study. No Lr gene was detected in fifteen cultivars such as ‘Zhongliang 35‘Longjian 110‘Longyuan 931‘Tianxuan 57etc. at seedling stage. Besides， the genotypes of ‘Longyuan 931 ‘Longjian 9343‘Tianxuan 57‘Tianxuan 67‘Lantian 31‘Linmai 22‘Lantian 134‘Lantian 151‘Longjian 113‘Longmai 838 and ‘Zhongliang 35 are highly resistant to leaf rust at adult-plant stage and show potential use in wheat production and wheat resistance cultivar breeding.

Key words

wheat leaf rust; gene postulation; resistance gene; Puccinia recondita f.sp. tritici

由隱匿柄銹菌小麥專化型Puccinia recondita f.sp. tritici引起的小麥葉銹病是影響小麥安全生產的一種重要病害[1]，該病發生歷史久遠、分布廣泛、流行性強、危害嚴重，在北美、歐洲、亞洲、大洋洲、非洲等幾乎所有小麥種植區均有發生，病害流行年份可造成40%以上的產量損失[2-3]。在我國，小麥葉銹病一直是河北、山西、內蒙古、河南、山東、山西、貴州、云南、黑龍江、吉林小麥生產上的重要病害。小麥葉銹病曾在1969年、1973年、1975年和1979年大流行，造成小麥減產嚴重，帶來巨大的經濟損失[4]。近幾年來，該病害在我國西南、西北、華北和東北以及長江流域、黃淮海流域發生逐漸嚴重。2012年全國較大范圍大發生，在甘肅、陜西、湖北、安徽、江蘇、河南、山東、河北和內蒙古等地發生嚴重[5]。2015年和2016年黃淮麥區小麥葉銹病的發生較往年提前了近一個月[6]。小麥葉銹菌已知生理小種的毒性變化、新毒性生理小種的出現、葉銹菌群體中毒性小種的組成與數量變化[7]和抗病品種的單一化長期種植等，是造成品種抗性喪失進而導致葉銹病暴發流行的主要原因[8]。隨著全球氣候變暖，氣象條件更加適合小麥葉銹病的發生和流行，未來可能會造成更大的危害[6]。雖然化學防治快速有效，但選育并種植抗病品種是防控該病害最經濟、有效和安全的方法[9]。

目前，國際上已經發現了100余個小麥抗葉銹基因，其中正式命名的有73個。大多數已命名的抗病基因具有小種專化性，容易“喪失”抗性[9-10]，僅有Lr12、Lr13、Lr22（等位基因a和b）、Lr34、Lr35、Lr37、Lr46、Lr48、Lr49、Lr67和Lr68等12個為成株抗葉銹病基因，其中Lr34、Lr46、Lr67和Lr68為成株微效基因，具有持久抗病性[11]。因此探明品種的抗性特點及所具有的抗病基因對栽培持久抗性品種具有重要的意義。基因推導主要通過在一定環境條件下寄主與病原物相互作用的侵染型來判斷，自Flor[12]提出基因對基因學說以來，許多學者已利用已知基因載體品系與銹菌的互作關系，在推導中國小麥品種苗期抗病基因方面做了大量工作[13]。用這種方法簡單快速，且結果便于比較歸類，因此，是小麥抗葉銹病基因快速檢測的手段之一，并廣泛應用[14]。陳萬權等[15]在我國24份小麥品種中，推導出Lr1、Lr2c、Lr3bg、Lr10、Lr13、Lr14a、Lr16、Lr23、Lr26和Lr32等10個抗葉銹病基因;Li等[1]在我國小麥材料中鑒定出含有Lr1、Lr26以及新基因LrZH84[16]等;胡亞亞等[17]在14份小麥材料中推導出Lr1、Lr10、Lr26、Lr34和Lr50等5個抗葉銹病基因;安哲等[18]在31個小麥品種中推導出可能含有Lr1、Lr2a、Lr11、Lr17、Lr18、Lr25、Lr30、Lr3bg和Lr50等9個抗葉銹基因;嚴曉翠等[19]在30個小麥品種中檢測到Lr1、Lr26、Lr13和Lr46等4個抗葉銹病基因;張林等[20]在河南16個主栽小麥品種中推導出可能含有Lr1、Lr16、Lr26和Lr30抗葉銹基因;這些抗葉銹病基因的鑒定為我國不同地區品種的合理布局提供了有力的參考依據。

小麥葉銹病在甘肅過去一直為次要病害，但是近年來發生日趨加重。尤其在2012年，隴南市、天水市、平涼市、慶陽市、定西市小麥葉銹病中度偏重發生，局部地區大發生，總發病面積52萬hm2，占播種面積的70%以上，發病嚴重田塊產量損失超過20%[21]。2013年和2014年，葉銹病在甘肅隴南麥區和中部麥區的一些區域仍然中度偏重發生。明確甘肅省主要小麥品種的抗葉銹基因及基因組合情況，掌握抗病基因分布情況，對于針對性開展抗病育種和進行抗病基因的合理布局，保證甘肅省小麥生產安全有著重要意義。為此，本研究以基因推導和成株期鑒定方法為主，對甘肅省36個小麥品種進行了抗葉銹基因分析，以明確主要小麥品種抗葉銹病基因組成情況，為甘肅省小麥品種合理布局，抗病育種及小麥葉銹病綜合防控提供可靠依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種：42個攜帶已知抗葉銹病基因的鑒別寄主由華中農業大學蘭彩霞教授和河北農業大學李在峰教授提供（表1）。36個甘肅省小麥主栽品種（表2）由甘肅省農業科學院提供。感病品種‘銘賢169為對照。用于基因推導的22個不同毒性的小麥葉銹菌生理小種采自甘肅不同的小麥生態區，包括THTS①、MHTN、SKSS、THTP、NHFN、NHFP、TCTP、TKTT、TKTS、PKTT、THJS、NHTP、PHSS、LKKN、PCTT、PKJS①、THPS、PKJS②、SHTF、THTS②、PHTT和NHKP等;用于成株期抗性鑒定的小麥葉銹菌混合小種由不同毒性譜的多個小種混合組成，包含上述22個不同毒性的小麥葉銹菌生理小種和甘肅自然種群中的優勢毒性小種，由甘肅省農業科學院植物保護研究所麥病組保存。

1.2 苗期抗葉銹鑒定及基因推導

試驗在甘肅省農業科學院植物保護研究所蘭州溫室進行。將所有供試品種及近等基因系（或單基因系）分別種植于直徑為9 cm的花盆中，并以感病材料‘銘賢169為對照，每品種播種7～9粒。待小麥幼苗第1片葉完全展開時，采用孢子懸浮液噴霧法進行接種，置于（20±5）℃下黑暗保濕24 h后，移入溫度為15～28℃的溫室內常規培養;待感病對照充分發病后，按Roelfs的標準[22]對每套小麥品種進行葉銹病侵染型（抗感反應型）鑒定，并根據Dubin等[23]提出的基因推導原則進行抗病基因推導。

1.3 成株期田間抗性鑒定

試驗在甘肅省農業科學院植物保護研究所甘谷試驗站進行。2017年10月中旬將小麥按照行距25 cm、行長2 m播種于試驗田，垂直于播種行種植‘銘賢169作為接種行。在翌年5月初小麥拔節期，選擇天晴無風的傍晚，用小麥葉銹菌混合菌種1 g加1 000 mL水，制備成0.1%的孢子懸浮液（含0.1%吐溫80）進行噴霧接種，保濕14 h。待小麥到乳熟期，感病對照品種‘銘賢169嚴重度達到80%時，按Roelfs的侵染型分級標準[22]進行病害調查，記載嚴重度、侵染型，成株期抗葉銹鑒定可參照Li等[1]的方法。

2 結果與分析

2.1 苗期抗葉銹病基因分析

苗期接種鑒定出22個小麥葉銹菌生理小種對已知抗葉銹病基因載體品種及測試品種的侵染型（表1，表2）。在42個已知抗葉銹基因中，攜帶Lr9、Lr41和Lr47的載體品種對所有供試葉銹菌生理小種均表現抗病，但是由于待測材料的表現型與它們的抗性反應不同，因此推斷36個供試材料可能不含有抗葉銹基因Lr9、Lr41和Lr47。而攜帶Lr22B、Lr1、Lr12、Lr17和Lr26的載體品種對22個供試的小麥葉銹菌生理小種均表現為高感，因此這些基因也無法通過苗期接種鑒定而推導出來。在測試的36個品種中，共發現7個小麥品種具有Lr2B、Lr13、Lr14A、Lr16、Lr22A和Lr30等6個抗病基因，有29個品種不具有本試驗選用的近等基因系所具有的已知抗葉銹基因。其中Lr2B對THTP、NHFN、NHFP、PHSS、LKKN、PKJS①、PKJS②、SHTF和NHKP表現低反應型，對其他生理小種表現高反應型，Lr13對TKTT表現低反應型，Lr16對TCTP和PCTT表現低反應型，Lr30對SKSS、THJS、PHSS和PKJS②表現低反應型，‘靈選6號對MHTN、PKTT、LKKN、THPS和THTS②表現高反應型，對其他小種均表現低反應型，對所有Lr2B、Lr13、Lr16和Lr30無毒的小種均表現抗性，推斷‘靈選6號可能含有Lr2B、Lr13、Lr16、Lr30和其他未知基因或基因組合;Lr22A對小種THTP、LKKN表現低反應型，對其他小種表現高反應型，‘會寧15‘蘭天37和‘隴鑒113對所有Lr22A無毒的小種均表現抗性，表明這3個材料中可能含有Lr22A。Lr14A只對小種PKJS①表現低反應型，對其他小種表現高反應型，‘蘭天151和‘蘭天134對PKJS①表現低反應型，說明‘蘭天151和‘蘭天134可能含有Lr14A;Lr13對TKTT表現低反應型，對其他小種表現高反應型，‘蘭天40除對TKTT、THPS、PKJS②、THTS②表現低反應型外，對其他小種的反應型與Lr13一致，因此推導其可能含有Lr13基因。‘隴鑒111‘定西48‘隴鑒385‘蘭天31‘隴中2號‘隴鑒9343‘天選67‘靜東031‘莊浪13‘臨麥22‘隴春30‘成縣11和‘天選65等13個品種與供試抗病基因品種的抗感反應型均不相同，由此推測這13個品種的抗性是由除供試抗葉銹基因之外的某個已知抗病基因或者多個已知或未知抗葉銹基因互作所產生的;‘天選48僅對1個供試小種表現抗性，該品種也不具有本試驗所用的單基因系所具有的抗葉銹病基因。‘中梁35‘隴鑒110‘隴原931‘隴麥838‘隴春27‘武春10號‘天選57‘會寧18‘定西41‘定西42‘臨麥33‘臨麥34‘臨麥35‘隴中1號‘甘春2415個小麥品種對22個供試小種均表現感病，推導這些品種中不含有對這些小種表現抗性的抗葉銹基因。

2.2 成株期抗葉銹病鑒定

對這36個小麥品種接種混合小種進行了成株期抗葉銹鑒定，發現僅有‘隴原931表現免疫， 7個品種‘隴鑒9343‘天選57‘天選67‘蘭天31‘臨麥22‘蘭天134‘蘭天151在成株期表現低反應型（反應型在0;～2之間），有28個品種在成株期對混合小種表現感病，其中‘隴鑒113‘隴麥838和‘中梁35雖表現中度感病，但嚴重度僅為20%，有慢葉銹病特性，是具有抗葉銹性應用潛力的品種。

3 討論

本試驗利用基因推導和成株期抗銹性相結合的方法，評價了甘肅省36個供試小麥品種的抗葉銹性，從而掌握甘肅省主要小麥品種的抗葉銹性狀況，為品種的合理布局及抗病育種提供參考。試驗發現36個小麥品種中共有16個品種對供試的所有葉銹菌均表現感病，占測試品種的44.4%;經苗期基因推導僅‘會寧15‘蘭天37‘隴鑒113‘蘭天151‘蘭天134‘蘭天40和‘靈選6號含有已知抗病基因，占測試品種的19.4%。‘蘭天151和‘蘭天134含有Lr14A基因，可能該抗病基因來源于同一親本;‘會寧15‘蘭天37和‘隴鑒113可能攜帶有Lr22A，‘蘭天40可能攜帶有Lr13，但此4個品種葉銹病田間嚴重度分別是60%、60%、20%和40%。‘會寧15‘蘭天37和‘蘭天40表現為成株期感病，‘隴鑒113表現為慢銹品種，因此‘會寧15‘蘭天37和‘隴鑒113是否攜帶Lr22A，‘蘭天40是否攜帶Lr13有待進一步試驗驗證;供試材料中未推導出目前有效的抗葉銹病基因Lr9、Lr41和Lr47。抗葉銹基因Lr1和Lr26是我國小麥品種中出現頻率比較高的兩個抗病基因[25-27]，但由于本試驗缺少對Lr1和Lr26表現低毒力的生理小種，因此未能對Lr1和Lr26抗病基因進行推導。通過對甘肅省36個小麥生產品種的苗期抗葉銹性分析發現，這些品種對當地22個小麥葉銹菌生理小種表現出高度感病，且缺乏含有效抗葉銹病基因的品種，一旦條件適宜，小麥葉銹病在甘肅地區極易發生和流行，這應該引起生產管理部門和育種專家的注意和重視。

慢銹性一般在成株期表現，該類抗性對病原菌生理小種專化性較弱，表現潛育期長、孢子堆小和產孢量少[24]。本研究通過成株期抗病性鑒定，得到‘隴原931‘隴鑒9343‘天選57‘天選67‘蘭天31‘臨麥22‘蘭天134和‘蘭天1518個表現抗病的品種，‘隴鑒113‘隴麥838和‘中梁353個表現成株慢銹性的品種，這些材料中可能攜帶未知的成株抗葉銹基因，在小麥生產中具有應用潛力。

基因推導適合對單基因或單個主效基因進行分析。多基因互作、環境條件和品種遺傳背景對基因表達效能有一定影響，在一定程度上影響了基因推導結果的準確性[18]，易受小種鑒別力不足或遺傳背景等因素的影響，使鑒定結果受到限制。分子標記輔助篩選鑒定是采用與抗葉銹基因緊密連鎖的分子標記對相應基因進行有效追蹤的方法，是進行抗病基因鑒定的重要輔助工具，具有快速、準確和不受環境條件限制的特點[28]。目前，已開發的與小麥抗葉銹基因Lr1、Lr2c、Lr9、Lr10、Lr12、Lr14a、Lr16、Lr19、Lr20、Lr21、Lr24、Lr25、Lr26、Lr28、Lr29、Lr32、Lr34、Lr35、Lr37、Lr38、Lr41、Lr42、Lr47和Lr50等緊密連鎖或共分離的STS（sequence tagged site）、SCAR（sequence characterized amplified regions）、SSR（simple sequence repeats）和RAPD（random amplified polymorphic DNA） 標記可用于抗葉銹基因的快速、準確鑒定[20]。本研究開展了36個小麥主栽品種的基因推導和成株期的抗病表型鑒定，為甘肅小麥品種的抗葉銹性特點提供了信息，同時也為甘肅省的抗銹育種提供理論依據;今后應加強有效的小麥葉銹病抗銹資源的分析，同時將基因推導法與分子標記檢測法結合起來，為甘肅省小麥抗葉銹病育種、品種布局及綜合防控提供更準確、可靠、有效的指導與依據。

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（責任編輯：王 音）