普通小麥–六倍體中間偃麥草易位系的抗條銹鑒定及應用評估

王 音 馮志威 葛 川 趙佳佳 喬 玲 武棒棒 閆素仙 鄭 軍,,* 鄭興衛,,*

普通小麥–六倍體中間偃麥草易位系的抗條銹鑒定及應用評估

王 音1,**馮志威3,**葛 川3趙佳佳2喬 玲2武棒棒2閆素仙2鄭 軍2,3,*鄭興衛2,3,*

1山西師范大學臨汾學院自然科學系, 山西臨汾 041000;2山西農業大學小麥研究所, 山西臨汾 041000;3山西農業大學農學院 / 作物遺傳與分子改良山西省重點實驗室, 山西太原 030000

小麥近緣屬種中含有豐富的抗病資源, 前期從普通小麥與六倍體中間偃麥草的雜交、回交后代中, 鑒定獲得穩定的小麥易位系新種質ZH811。為發掘和利用該易位系的抗性基因, 對ZH811進行苗期分小種的條銹病鑒定、田間農藝性狀考察、分子細胞學特性和主要品質性狀分析; 利用隨機擴增多態性DNA (Random Amplified Polymorphic DNA, RAPD)開發易位片段的特異標記。結果表明, ZH811苗期對條銹菌條中29、31、32、33、34以及水源4、5和7號的混合菌種具有較強的抗性, 其抗性源于5D染色體短臂含有來源于Ee基因組的小片段易位; SCAR標記(Sequence Characterized Amplified Region, SCAR)和黑芒可作為易位片段追蹤的分子和形態標記; ZH811的主要農藝性狀接近當前黃淮北片麥區的主推品種, HMW-GS組合類型是“1, 17+18, 5+10”, 3個位點均為優質亞基, 各項品質指標達到中強筋的標準; 易位片段具有增加穗粒數的效應, 不含降低品質的連鎖累贅。ZH811可為培育高產、抗病和優質小麥新品種提供重要的中間材料。

條銹; 易位系; 原位雜交; 分子標記

我國是全球最大的小麥生產國和消費國, 總產量常年在1.3億噸左右。條銹病是我國小麥生產上最重要的真菌病害之一, 可造成數萬噸的損失[1-2]。培育持久穩定的抗病小麥品種是控制條銹病、保障糧食安全、最經濟環保的措施[3]。然而, 當前我國有效抗源, 特別是苗期抗源匱乏, 是目前抗病育種的瓶頸。生產上利用的抗病基因多以專化抗病基因為主, 大面積單一種植極易造成病原菌生理小種發生定向選擇, 引起條銹病大流行[1,4]。如新致病類群V26的出現, 導致大部分小麥品種喪失抗性, 包括使用近30年含/基因的小麥品種[5]。隨著新致病類群毒力和適應性的不斷增強, 小麥抗條銹病育種再次成為重中之重。因此, 發掘和利用新的持久抗病基因資源刻不容緩。

小麥近緣種屬具有抗病蟲、抗旱、耐鹽、抗寒等特點, 利用遠緣雜交和染色體異源重組, 從小麥近緣種屬導入新的抗病片段是提高小麥遺傳多樣性及培育多抗性品種的重要途徑[6-8]。在小麥遠緣雜交種質應用方面, 含有、、和等基因的小麥–黑麥1RS·1BL易位系, 含、和的小麥–偏凸山羊草2NS/2AS易位系, 含有長穗偃麥草抗條銹病基因的小偃系列品系[9], 含有來自彭提卡偃麥草基因的小麥–偃麥草染色體易位系[10], 以及小麥-冰草衍生出的普冰系列品系[11], 都對小麥抗病育種做出了重要貢獻。絕大多數易位系因遺傳補償性差或整合的異源片段過長導致細胞學不穩定以及與不良性狀連鎖, 從而大大降低其育種價值, 因此建立含有小片段易位的外源遺傳材料一直倍受重視。

自Lupton和Macer[12]首次提出采用系統命名小麥抗條銹病基因以來, 已有80多個基因正式公布, 分別為-。這些基因的抗性來源有兩類, 一類來自普通小麥, 另一類來自小麥近緣種屬, 比如基因[13]來自于頂芒山羊草()、[14]來源于擬斯卑爾脫山羊草()、[15]和[16]來源于黑麥()、[17]源于偏凸山羊草()、[18]來源于粗山羊草()、[19]來源于黏果山羊草()、[20]發現于沙倫山羊草()、[21]來自于卵穗山羊草()、[22]源于三芒山羊草()。盡管在已知抗條銹病基因中, 源于小麥近緣種屬的比例只有11.3%[23], 但因其抗性持久, 均受到小麥育種家和病理學家的高度重視。

在小麥遺傳改良中, 中間偃麥草是利用最成功的多年生野生近緣植物, 其蘊含許多能夠增強抗性、改善品質的有益基因, 是小麥遺傳改良的重要基因資源庫[24]。Zhan等[25]和Lang等[26]發現, 偃麥草基因組與小麥之間能發生高水平的染色體配對, 載有目的基因的染色體更容易與小麥部分同源染色體發生交換和重組, 使得重組后的染色體在結構上更接近于小麥。六倍體中間偃麥草與小麥雜交形成小麥-中間偃麥草衍生系材料, 在小麥染色體工程研究和育種生產上有很多成功的范例。如中1-中5[27-28]、Otrastsjuskaya[29]、TE-3[30]、TAI8335[31]、TE253[32]和CH13-21[25]等對條銹病具有很好的抗性。近年來國內小麥育種家陸續對中間偃麥草與普通小麥雜交后代中的[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]等多個源于中間偃麥草的抗條銹病基因進行了定位。這些新基因的挖掘豐富了小麥抗病基因源, 為小麥遺傳改良育種提供了寶貴材料, 但攜帶抗病基因的外源片段多數存在或多或少的連鎖累贅, 可供育種家利用的有效抗源仍然較少。因此, 培育多抗性新抗源, 發掘新的抗病基因及其緊密連鎖的分子標記, 且兼具良好的農藝、品質性狀, 對選育多抗、高產、優質新品種具有重要意義。

為挖掘中間偃麥草的抗病基因資源, 并為培育抗病品種提供優異的中間型育種材料, 本研究前期通過普通小麥與六倍體中間偃麥草雜交后, 獲得的偃麥草易位系材料, 對其進行了苗期分小種條銹病的抗性鑒定、成株期農藝性狀的評估以及細胞學水平上的鑒定, 在明確其抗性來源和農藝、品質性狀的基礎上開發了SCAR分子標記和黑芒的形態學標記, 以期為更好地利用這些材料奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試條銹菌小種: 條中29、31、32、33號以及水源4、5、7號由甘肅省農業科學院提供, 條中34號由西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室提供。試驗中用到的植物材料及其信息、用途均在表1中列出。

1.2 易位系ZH811抗病性鑒定

2016和2017年在山西農業大學(山西省農業科學院)小麥研究所人工氣候室(面積4 m × 5 m)內, 溫度(17±2)℃, 光照為1000 μmol m?2s?1, 光周期為14 L/10 D進行苗期抗病性鑒定。用條中29、31、32、33、34號以及水源4、5、7號的混合菌種對ZH811、ZH577、親本材料及ZH811×ZH577的正反交F2及BC1群體進行接種鑒定。參照吳建輝[39]的方法, 小麥二葉期時接種, 條銹菌與滑石粉按照1∶30比例混勻, 采用抖粉法進行接種, 反應型按Line和Qayoum[40]的0~9級標準判定: 0級為免疫; 1~3級為高度抗病; 4~6級為中度抗病; 7級為中度感病; 8~9級為高度感病。根據雙親和雜交后代反應型級別劃分抗感類型, 統計抗感植株數。對ZH811×ZH577的正反交F2、BC1群體計算分離比例, 以確定抗條銹基因數目及遺傳特點。

1.3 易位系ZH811的熒光原位雜交細胞學鑒定

染色體制片: 將ZH811、晉麥33和臨4133的種子置于墊有2層濾紙的玻璃培養皿內, 室溫浸泡8 h至萌動, 置于室溫暗培養, 待根長至1~2 cm時剪取根尖, 冰水處理36 h; 用卡諾氏固定液(95%乙醇與冰醋酸體積比為3∶1)固定根尖12 h; 將根尖置于1% Pectolyase Y-23果膠酶和2% cellulose Onozuka R-10纖維素酶的混合酶液中, 37℃酶解25~50 min, 再用45%冰醋酸壓片, 相差顯微鏡下觀察中期染色體。選擇分裂相多、染色體分散好的片子, 液氮冷凍揭片, 晾干備用。

表1 試驗所需植物材料及信息

標記探針: 用Fluorescein-12-dUTP、地高辛(digoxigenin-11-dUTP)或生物素(biotin-16-dUTP)通過切口平移法標記DNA, 15℃下標記1.5 h, –20℃避光保存備用。

熒光原位雜交: 參照崔承齊等[41]的方法進行熒光原位雜交。首先以Fluorescein-12-dUTP標記的六倍體中間偃麥草基因組DNA為探針進行原位雜交, Carl Zeiss CCD獲取圖像。將信號洗脫后再在同一張制片上以Digoxinin-11-dUTP 標記的質粒pSc119.2和Biotin-16-dUTP標記的質粒pAs1進行雙色熒光原位雜交, 用DAPI (4’,6-diamidino-2-phenylindole)染色。采用Carl Zeiss CCD和Axiovision Rel. 4.8 (Zeiss, Oberkochen, Germany)采集并分析圖像。

1.4 序列特異擴增區域 (sequence-characterized amplified region, SCAR)標記的開發及有效性

SDS法提取F3姊妹系自交3代后不同株系的DNA。使用正向、反向各10對隨機設計的RAPD引物[42]進行組合, 每個引物對分別在退火溫度46、50和54℃進行PCR擴增。RAPD引物TP7F (5′-CAGGCCCTTCAT-3′) / TP2R (5′-GTGTGCCCCA AC-3′)、SCAR標記引物D-1F (5′-ACTTGCTCCTG AAGCCATCA-3′) / D-2R (5′-AAGTGAAGCCCAG CAAGCG-3′)均委托生工生物工程(上海)股份有限公司合成。25 μL PCR反應體系: 模板DNA 100 ng、10× PCR buffer 2.5 μL、2.5 mmol L?1dNTPs 2 μL、5 U μL?1DNA聚合酶0.3 μL、10 μmol L?1引物2 μL、ddH2O加至25 μL。PCR反應程序: 94℃預變性5 min; 94℃變性30 s, 46℃/50℃/54℃退火30 s, 72℃延伸1 min, 35個循環; 72℃再延伸10 min。2%瓊脂糖凝膠電泳檢測, 篩選特異片段切膠回收, 由生工生物工程(上海)股份有限公司測序。將序列結果與GenBank中已知的小麥序列進行比對, 當同源性低于50%時, 將其視為中間偃麥草染色體特異序列, 根據特異序列利用Primer 5.0軟件設計SCAR標記。

為了驗證所開發SCAR標記與苗期條銹病抗性的關系, 條銹菌(CYR32和CYR34)對ZH811×ZH577的DH群體共80個株系進行抗性檢測, 驗證SCAR標記的有效性。DH群體CYR32和CYR34的接種試驗委托西北農林科技大學旱區作物逆境生物學國家重點實驗室完成。

1.5 ZH811農藝性狀調查

2016—2017和2017—2018年度, 在山西省臨汾市堯都區小麥研究所韓村試驗基地(36°06′24″N, 111°30′55″E)進行ZH811、ZH577和ZH811×ZH577 DH群體80個株系的農藝性狀檢測。田間種植采用隨機區組試驗設計, 3次重復; 小區行長2 m, 株距10 cm, 行距25 cm, 記錄抽穗期和成熟期, 每個重復小區隨機選取10株對株高、穗長、小穗數、穗粒數和千粒重等性狀進行調查。為明確5D易位片段與主要農藝性狀的關系, 對DH群體80個株系的千粒重、穗粒數、小穗數和株高進行分析。

1.6 ZH811 HMW-GS的鑒定及品質分析

參照趙佳佳等[43]方法進行HMW-GS鑒定和品質分析。隨機選取ZH811、晉麥33號、師欒02-1、煙農19和中國春各個品種(系) 3~5粒種子用于谷蛋白的提取, 采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)方法測定HMW-GS組成, 對照品種為中國春(Null, 7+8, 2+12)、師欒02-1 (1, 7+9, 5+10)以及煙農19 (1, 17+18, 5+10)。

DA7200型近紅外儀(瑞典Perten)測定籽粒蛋白質含量; 旋風磨3100 (Perten, Sweden)磨粉, 出粉率為70%左右; 潤麥加水量為16.5%, 時間16~18 h, 磨粉后用于Zeleny沉降值、粉質及拉伸參數的測定。德國Brabender公司搖床按照AACC 56-63方法測定Zeleny沉降值, 結果校正到14%水分含量。德國Brabender公司生產的粉質儀和拉伸儀, 分別按照AACC-54-21和AACC-54-10方法測定面團形成時間、穩定時間、延伸性、最大抗延阻力以及拉伸面積等參數。參照國標小麥品種品質分類(GB/T 177320-2013)中各品質指標對應的強筋、中強筋、中筋和弱筋的分類標準, 評價ZH811的強筋類型。

1.7 數據分析

應用Microsoft Excel 2016對數據進行整理和計算, 利用SPSS 22.0軟件進行數據統計分析, 采用最小顯著差數(LSD)法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 易位系ZH811抗條銹性狀的來源與遺傳分析

中間偃麥草Z1141和ZH811對條中29、31、32、33、34號以及水源4、5、7號條銹菌生理小種的混合菌種均表現近免疫或高抗, 而中國春、晉麥33和臨4133以及ZH577對混合菌均表現高感, 表明ZH811苗期具有較強的條銹病抗性, 由其系譜分析推測抗條銹基因可能來自于中間偃麥草Z1141 (圖1)。

苗期抗病性鑒定結果顯示ZH811×ZH577正反交F2及BC1群體單株出現抗感分離。其中正反交F2群體的抗感分離均符合3∶1分離比(2分別為0.12和0.01), 而BC1群體符合1∶1分離比(表2), 說明ZH811的抗病性狀是由顯性單基因控制。

2.2 易位系ZH811的細胞學鑒定

ZH811和ZH577均為42條染色體。以六倍體中間偃麥草基因組DNA為探針、中國春基因組DNA為封阻的原位雜交結果顯示, ZH811攜帶的易位片段在染色體端部有綠色信號(圖2-A), 調節探針與封阻DNA的比例后沒有發現其他外源片段。利用pAS1和pSC119.2區分染色體時, 外源易位片段位于小麥5D染色體短臂端部(圖2-B)。ZH577、晉麥33和臨4133中也均未檢測到外源易位片段(圖2-C~F), 說明ZH811中的易位片段來源于中間偃麥草。ZH811表現為高抗條銹病, 推測易位片段含有抗病基因, 將該基因暫命名為。

表2 ZH811和ZH577后代群體中抗、感單株數和分離比適合性檢驗

A, C, E: 利用中國春基因組做封阻, 中間偃麥草基因組為探針的GISH分析; B, D, F: 利用探針pAs1 (綠色信號)和pSc119.2 (紅色信號)進行FISH分析。白色箭頭指示小麥–中間偃麥草易位片段(A)和5D染色體(B~F)。標尺為10 μm。

A, C, E: GISH using genomic DNA ofas probe, genomic DNA of Chinese Spring as block. B, D, F: FISH using probespAs1 (green signal) and pSc119.2 (red signal). Arrows show the wheat–chromosome translocations (A) or chromosome 5D (B–F). Bar = 10 μm.

2.3 特異性序列擴增標記SCAR的開發及抗病有效性檢測

利用RAPD引物對TP7F擴增時, ZH811和ZH577均能擴增出差異片段(圖3-A); GenBank比對結果顯示, 該片段沒有與小麥基因組相似性高的序列, 推斷其可能為偃麥草基因組序列(GenBank登錄號為MN840590)。利用SCAR標記引物對擴增時, ZH811、二倍體長穗偃麥草(EeEe)和中間偃麥草(StStEeEeEbEb)均能夠擴增出180 bp目的條帶, 而ZH577、百薩偃麥草(EbEb)和擬鵝觀草(StSt)以及小麥親本中未擴增出目的條帶(圖3-B), 表明ZH811的5D染色體易位片段來自Ee基因組, SCAR可以作為含有易位片段的鑒定標記。

SCAR標記的抗病有效性檢測結果顯示, ZH811×ZH577 DH群體的80個株系中, 44個株系含有易位片段的株系表現為抗病, 36個株系不含易位片段的株系均為感病, 經卡方分析抗感比接近1∶1 (2=0.80,=0.37), 證明了ZH811的苗期抗性來源于易位片段(圖4)。此外, 含有易位片段的株系均為黑芒, 可作為易位片段鑒定的形態標記。

A: ZH811和ZH577的RAPD擴增(對應泳道從左到右分別是DL2000 marker、ZH811和ZH577退火溫度46℃擴增、ZH811和ZH577退火溫度50℃擴增、ZH811和ZH577退火溫度54℃擴增); 白色箭頭指示ZH811和ZH577擴增出的差異條帶; B: SCAR標記不同材料中的擴增結果(對應泳道從左到右分別是DL2000 marker、ZH811、ZH577、中國春CS、臨4133、晉麥33、中間偃麥草ZH1141、二倍體長穗偃麥草PI98526、百薩偃麥草PI531712、擬鵝觀草PI313960、ddH2O);

A: RAPD analysis of ZH811 and ZH577 (The corresponding lanes from left to right are DL2000 marker, ZH811 and ZH577 withmat 46℃, ZH811 and ZH577 withmat 50℃, ZH811 and ZH577 withmat 54℃; Arrows show the differential band amplified between ZH811 and ZH577; B: PCR patterns of SCAR marker (The corresponding lanes from left to right are DL2000 marker, ZH811, ZH577, CS, Lin 4133, Jinmai 33,ZH1141,PI98526,PI531712,, ddH2O).

2.4 易位系ZH811的農藝性狀表現

ZH811和ZH577均為半冬性, 全生育期240 d左右, 千粒重40 g以上, 株高為70~80 cm之間。植株健壯, 葉色偏深, 主要農藝性狀接近當前推廣品種; 此外, ZH811為黑芒, 而ZH577為白芒(圖5)。ZH811穗粒數顯著多于非易位ZH577 (<0.05), 株高、小穗數和穗長也略有增加。

DH群體80個株系中, 含有易位片段的44個株系和不含有易位片段的36個株系, 平均穗粒數分別為46.4個和42.6個, 兩者之間差異顯著(<0.05); 含易位株系的平均株高(74.49 cm)和平均小穗數(20.24個), 高于不含易位株系的平均株高(73.26 cm)和平均小穗數(20.12個), 但差異不顯著。含有易位片段株系和不含易位片段株系的千粒重分別為44.68 g和45.29 g, 差異不顯著(圖6), 說明除條銹抗性外, 易位片段還具有增加穗粒數的效應。

*,< 0.05

2.5 ZH811的品質檢測以鑒定易位片段的品質性狀遺傳效應

SDS-PAGE檢測表明, ZH811和ZH577的HMW-GS類型是“1, 17+18, 5+10”,、和位點均為優質亞基(圖7)。

ZH811的蛋白質含量、沉降值、濕面筋含量、形成時間、穩定時間、最大拉伸阻力和拉伸面積分別為14.57%、30.25 mL、32.87%、5.82 min、7.88 min、368.00 E.U.和88.00 cm2, ZH577分別為14.96%、32.84 mL、32.26%、5.75 min、8.15 min、342.00 E.U.和89.00 cm2, 兩者之間差異不顯著, 但均顯著高于對照良星99, 表明易位片段中沒有降低品質的連鎖累贅。各項品質指標均優于對照良星99, 粗蛋白含量(干基)、濕面筋含量、穩定時間、最大拉伸阻力均達到中強筋的標準(表3)。

3 討論

本文通過小麥與中間偃麥草雜交, 獲得了偃麥草的Ee染色體與小麥的5D染色體產生自發易位的抗病材料。Hu等[44]報道了來源于十倍體長穗偃麥草染色體6Js抗條銹基因的6Js(6B)代換系X005; 還有十倍體長穗偃麥草St基因組小片段染色體易位到小麥4D染色體產生的抗條銹病材料[45], 目前尚未見到有5D染色體與Ee基因組易位的抗性材料, 推測可能是新的抗條銹基因。

從左到右依次為師欒02-1 (SL02-1)、ZH811、煙農19 (YN19)、晉麥33號(JM33)、中國春(CS)。圖中數字表示各條帶代表的高分子量麥谷蛋白亞基類型。

The corresponding lanes from left to right are Shiluan 02-1 (SL02-1), ZH811, Yannong 19 (YN19), Jinmai 33 (JM33), and Chinese Spring (CS). The numbers in this figure indicate the types of HMW-GS represented by each band.

表3 不同材料的品質性狀

表中數據為平均數±標準誤。同列不同小寫字母表示經LSD法檢驗在< 0.05水平差異顯著。

Data are means ± SE. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at< 0.05 by LSD test.

缺少特異標記是眾多易位系難以應用于生產的限制因素, 由于缺乏有效標記, 導致這些材料很難在選育過程中被追蹤。本文通過RAPD獲得了易位片段的SCAR標記, 可以直接用于抗病分子標記輔助育種。形態學標記包括可被觀測到的莖、葉、穗和籽粒的色澤、性狀或大小。李振聲等[46]利用4E染色體藍色胚乳標記用于藍粒單體系的培育, Miller和Reader[47]利用遠緣種質將紫胚芽鞘和紫稈性狀定位于第七同源群染色體短臂, 將紅粒及脆穗軸基因定位在第三同源群上, 將黑穎殼基因定位于第一同源群上; 李淑梅等[48]利用護穎穎基剛毛性狀辨認含有簇毛麥2V短臂的雜交后代; Xin等[49]利用芽鞘顏色分離中間偃麥草7Ai-1上抗黃矮病基因, 并利用籽粒形狀, 長芒、短芒作為形態標記。關于芒色作為形態標記的研究比較少見, 有研究表明在1A染色體上,與紅穎基因和護穎茸毛基因連鎖, 因此攜帶材料會出現黑芒、護穎茸毛性狀[50-51]。ZH811易位片段具有的黑芒特性可作為形態標記, 與分子標記相比, 形態標記在田間觀察更為簡便直接, 也便于在發病不充分的地區進行育種選擇; 此外, 目前關于小麥芒色基因的報道較少, 目前僅在小麥1AS和1D染色體上定位到控制芒色的基因[52-53], ZH811也為芒色基因的克隆提供了材料。

目前源于黑麥、簇毛麥的抗病基因、和被廣泛用于小麥育種和生產。然而, 外源抗病材料的利用仍然較少。究其原因, 一是外源染色體臂或區段常導致易位系細胞學不穩定, 二是連鎖累贅大大降低了利用價值。如1BL/1RS易位系已在世界范圍廣泛推廣, 大大提高了材料的綜合抗性和產量性狀, 但連鎖的黑麥堿基因嚴重影響了小麥品質[54]。ZH811是六倍體中間偃麥草染色體片段與小麥5D染色體產生的小片段易位品系, 具有苗期條銹病抗性高和增加穗粒數的優點。此外, ZH811的位點均為優質亞基, 未發現降低品質的連鎖累贅, 在當前高產、優質和低耗的育種要求下具有較大利用價值。目前ZH811的苗期條銹病抗性得到準確鑒定, 該株系成株期綜合農藝性狀優良, 且具有特異的形態和分子標記, 可直接用于高產、抗病和優質小麥新品種的選育; 成株抗性利用在小麥抗病育種中尤為重要[55-56], 在選育過程中缺乏穩定的成株期鑒定條件, ZH811成株期抗性和相關抗性機制將是下一步研究的主要任務。

4 結論

本研究從普通小麥和六倍體中間偃麥草雜交、回交后代中鑒定出苗期高抗條銹病的易位系材料ZH811, 其抗性源于5D染色體短臂含有來源于Ee基因組的小片段易位。ZH811的主要農藝性狀接近當前黃淮北片麥區的主推品種, 各項品質指標達到中強筋的標準, 可為培育高產、抗病和優質小麥新品種提供重要的中間材料。

致謝 感謝云南省農業科學院顧堅研究員在DH群體構建過程, 以及西北農林科技大學王琪琳博士在材料條銹病鑒定中給予的幫助和支持。

[1] 康振生, 王曉杰, 趙杰, 湯春蕾, 黃麗麗. 小麥條銹菌致病性及其變異研究進展. 中國農業科學, 2015, 48: 3439–3453. Kang Z S, Wang X J, Zhao J, Tang C L, Huang L L. Advances in research of pathogenicity and virulence variation of the wheat stripe rust fungusf. sp., 2015, 48: 3439–3453(in Chinese with English abstract).

[2] 陳萬權, 康振生, 馬占鴻, 徐世昌, 金社林, 姜玉英. 中國小麥條銹病綜合治理理論與實踐. 中國農業科學, 2013, 46: 4254–4262. Chen W Q, Kang Z S, Ma Z H, Xu S C, Jin S L, Jiang Y Y. Integrated management of wheat stripe rust caused byf. sp.in China., 2013, 46: 4254–4262 (in Chinese with English abstract).

[3] 李振岐, 曾士邁. 中國小麥銹病. 北京: 中國農業出版社, 2002. Li Z Q, Zeng S M. Wheat Rusts in China. Beijing: China Agriculture Press, 2002 (in Chinese).

[4] 韓德俊, 康振生. 中國小麥品種抗條銹病現狀及存在問題與對策. 植物保護, 2018, 44(5): 6–17. Han D J, Kang Z S. Current status and future strategy in breeding wheat for resistance to stripe rust in China., 2018, 44(5): 6–17 (in Chinese with English abstract).

[5] McIntosh R, Mu J M, Han D J, Kang Z S. Wheat stripe rust resistance gene: a retrospective review., 2018, 6: 321–329.

[6] Cruz C D, Peterson G L, Bockus W W, Kankanala P, Dubcovsky J, Jordan K W, Akhunov E, Chumley F, Baldelomar F D, Valent B. The 2NS translocation fromconfers resistance to thepathotype of., 2016, 56: 990–1000

[7] 董玉琛. 小麥的基因源. 麥類作物學報, 2000, 20(3): 78–81. Dong Y C. Gene pool of common wheat., 2000, 20(3): 78–81 (in Chinese with English abstract).

[8] 李振聲, 容珊, 鐘冠昌, 陳漱陽, 穆素梅. 小麥遠緣雜交. 北京: 科學出版社, 1985. Li Z S, Rong S, Zhong G C, Chen S Y, Mu S M. Wheat Wild Hybridization. Beijing: Science Press, 1985 (in Chinese).

[9] 李萬隆, 李振聲. 小麥品種小偃6號染色體結構變異的細胞學研究. 遺傳學報, 1990, 17: 430–437. Li W L, Li Z S. A cytological study of chromosomal structure changes in a common wheat variety, Xiaoyan No. 6., 1990, 17: 430–437 (in Chinese with English abstract).

[10] Guo J, Zhang X, Hou Y, Cai J, Kong L. High-density mapping of the major FHB resistance genederived fromand its pyramiding withby marker-assisted selection., 2015, 128: 2301–2316.

[11] 李立會, 張錦鵬, 楊欣明, 劉偉華, 李秀全, 韓海明, 周升輝. 小麥與冰草屬間遠緣雜交及新種質創制研究進展. 見: 第十屆全國小麥基因組學及分子育種大會摘要集, 2019. p 54. Li L H, Zhang J P, Yang X M, Liu W H, Li X Q, Han H M, Zhou S H. Research progress of wheat–wild hybridization and creation of new germplasms. In: The 10th National Conference on Wheat Genomics and Molecular Breeding, 2019. p 54. (in Chinese)

[12] Lupton F G H, Macer R C F. Inheritance of resistance to yellow rust (Erikss. & Henn.) in seven varieties of wheat., 1962, 45: 21–45.

[13] Riley R, Chapman V, Johnson R. Introduction of yellow rust resistance ofinto wheat by genetically induced homeologous recombination., 1968, 217: 378–384.

[14] Chen X M, Jones S S, Line R F. Chromosomal location of genes for stripe rust resistance in spring wheat cultivar Compare, Fielder, Lee and Lemhi and interactions of aneuploid wheats with races of., 1995, 143: 19–26.

[15] Zeller F J. 1B/1R wheat-rye chromosome substitutions and translocations. In: Sears E R, Sears L M S, eds. Proceedings of the 4thInternational Wheat Genetics Symposium. Missouri Agricultural Experiment Station, University of Missouri, Columbia, 1973. pp 209–221.

[16] Bariana H S, Parry N, Barclay I R, Loughman R, McLean R J, Shankar M, Wilson R E, Willey N J, Francki M. Identification and characterization of a new stripe rust resistance geneon rye chromosome 6R in wheat., 2006, 112: 1143–1148.

[17] Bariana H S, McIntosh R A. Cytogenetic studies in wheat: XV. Location of rust resistance genes in VPM1 and their genetic linkage with other disease resistance genes in chromosome 2A., 1993, 36: 476?482.

[18] Singh R P, Nelson J C, Sorrells M E. Mappingand other genes for resistance to stripe rust in wheat., 2000, 40: 1148–1155.

[19] Marais G F, McCallum B, Snyman J E, Pretorius Z A, Marais A S. Leaf rust and stripe rust resistance genesandtransferred to wheat from., 2005, 124: 538–541.

[20] Marais G F, McCallum B, Marais A S. Leaf rust and stripe rust resistance genes derived from., 2006, 149: 373–380.

[21] Kuraparthy V, Chhuneja P, Dhaliwal H S, Kaur S, Bowden R L, Gill B S. Characterization and mapping of cryptic alien introgression fromwith new leaf rust and stripe rust resistance genesandin wheat., 2007, 114: 1379–1389.

[22] Marais F, Marais A, Mccallum B, Pretorius Z. Transfer of leaf rust and stripe rust resistance genesandfromReq. ex Bertol. to common wheat., 2009, 49: 871–879.

[23] 劉成. 小麥遠緣雜交種質資源評價. 北京: 中國農業科學技術出版社, 2019. pp 185–279. Liu C. Evaluation of Wheat Germplasm Derived from Distant Hybridization. Beijing: China Agricultural Science and Techno-logy Press, 2019. pp 185–279 (in Chinese).

[24] Friebe B, Jiang J, Knott D R, Gill B S. Compensation indices of radiation-induced wheat–translocations conferring resistance to leaf rust and stem rust., 1994, 34: 400–404.

[25] Zhan H X, Zhang X J, Li G R, Pan Z H, Hu J, Li X, Qiao L Y, Jia J Q, Guo H J, Chang Z J, Yang Z J. Molecular characterization of a new wheat–translocation line with resistance to powdery mildew and stripe rust., 2015, 16: 2162–2173.

[26] Lang T, La M S, Li B, Yu Z H, Chen Q H, Li J B, Yang E N, Li G R, Yang Z J. Precise identification of wheat–translocation chromosomes carrying resistance to wheat stripe rust in line Z4 and its derived progenies., 2018, 61: 177–185.

[27] Han F P, Liu B, Fedak G, Liu Z H. Genomic constitution and variation in five partial amphiploids of wheat–as revealed by GISH, multicolor GISH and seed storage protein analysis., 2004, 109: 1070–1076.

[28] Tang X Q, Shi D, Xu J, Li Y L, Li W J, Ren Z L, Fu T H. Molecular cytogenetic characteristics of a translocation line between common wheat andwith resistance to powdery mildew., 2014, 197: 201–210.

[29] Fedak G, Chen Q, Conner R L, Laroche A, Petroski R, Armstrong K W. Characterization of wheat–partial amphiploids by meiotic analysis and genomichybridization., 2000, 43: 712–719.

[30] Yang Z J, Li G R, Chang Z J, Zhou J P, Ren Z L. Characterization of a partial amphiploid betweencv. Chinese Spring andssp. trichophorum., 2006, 149: 11–17.

[31] Chang Z J, Zhang X J, Yang Z J, Zhan H X, Li X, Liu C, Zhang C Z. Characterization of a partial wheat–amphiploid and its reaction to fungal diseases of wheat., 2010, 147: 304–312.

[32] Bao Y, Li X, Liu S, Cui F, Wang H. Molecular cytogenetic characterization of a new wheat–partial amphiploid resistant to powdery mildew and stripe rust., 2009, 126: 390–395.

[33] 楊敏娜, 徐智斌, 王美南, 宋建榮, 井金學, 李振岐. 小麥品種中梁22抗條銹病基因的遺傳分析和分子作圖. 作物學報, 2008, 34: 1280–1284. Yang M N, Xu Z B, Wang M N, Song J R, Jing J X, Li Z Q. Genetic analysis and molecular mapping of stripe rust resistance gene in wheat cultivar Zhongliang 22., 2008, 34: 1280–1284 (in Chinese with English abstract).

[34] Liu J, Chang Z J, Zhang X J, Yang Z J, Li X, Jia J Q, Zhan H X, Guo H J, Wang J M. Putative-derived stripe rust resistance genemaps on wheat chromosome arm 4BL., 2013, 126: 265–274.

[35] Hou L, Jia J, Zhang X, Li X, Yang Z, Ma J, Guo H, Zhan H, Qiao L, Chang Z. Molecular mapping of the stripe rust resistance geneon wheat chromosome 2AS., 2016, 100: 1717–1724.

[36] 詹海仙, 暢志堅, 李光蓉, 賈舉慶, 郭慧娟, 張曉軍, 李欣, 喬麟軼, 楊足君. 小麥新抗源CH5383抗條銹病基因的遺傳分析及分子定位. 生物技術通報, 2014, 6: 96–100. Zhan H X, Chang Z J, Li G R, Jia J Q, Guo H J, Zhang X J, Li X, Qiao L Y, Yang Z J. Genetic analysis and molecular mapping of stripe rust resistance gene in wheat line CH5383., 2014, 6: 96–100 (in Chinese with English abstract).

[37] Huang Q, Li X, Chen WQ, Xiang Z P, Zhong S F, Chang Z J, Zhang M, Zhang H Y, Tan F Q, Ren Z L, Luo P G. Genetic mapping of a putative-derived stripe rust resistance gene on wheat chromosome 1B., 2014, 127: 843–853.

[38] 侯麗媛, 喬麟軼, 張曉軍, 李欣, 詹海仙, 暢志堅. 抗條銹病基因的遺傳分析及分子定位. 華北農學報, 2015, 30(5): 7–15. Hou L Y, Qiao L Y, Zhang X J, Li X, Zhan H X, Chang Z J. Genetic analysis and molecular mapping of a stripe rust resistance gene., 2015, 30(5): 7–15 (in Chinese with English abstract).

[39] 吳建輝. 基于BSR-Seq和芯片技術的抗條銹基因候選基因分析及普通小麥成株期抗條銹QTL定位. 西北農林科技大學博士學位論文, 陜西楊凌, 2017. Wu J H. QTL Mapping for Adult-plant Resistance to Stripe Rust in Common Wheat and Candidate Gene Analysis ofBased on BSR-seq and SNP Array. PhD Dissertation of Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[40] Line R F, Qayoum A. Virulence, aggressiveness, evolution and distribution of races of(the cause of stripe of wheat) in North America, 1968–1987. U.S. Department of Agriculture Technical Bulletin No. 1788, 1992, 44.

[41] 崔承齊, 王林生, 陳佩度. 普通小麥-大賴草易位系T7BS·7Lr#1S和T2AS·2AL-7Lr#1S的分子細胞遺傳學鑒定. 作物學報, 2013, 39: 191–197. Cui C Q, Wang L S, Chen P D. Molecular and cytogenetic identification of–translocation lines T7BS·7Lr#1S and T2AS·2AL-7Lr#1S., 2013, 39: 191–197 (in Chinese with English abstract).

[42] Zhang X Y, Dong Y S, Wang R R C. Characterization of genomes and chromosomes in partial amphiploids of the hybrid×byhybridization, isozyme analysis, and RAPD., 1996, 39: 1062–1071.

[43] 趙佳佳, 喬玲, 鄭興衛, 李曉華, 曹勇, 馬小飛, 楊斌, 姬虎太, 喬麟軼, 鄭軍, 張建誠. 山西小麥育成品種品質性狀及HMW-GS組成演變分析. 植物遺傳資源學報, 2018, 19: 1126–1137. Zhao J J, Qiao L, Zheng X W, Li X H, Cao Y, Ma X F, Yang B, Ji H T, Qiao L Y, Zheng J, Zhang J C. Variation of quality-related traits and HMW-GS of wheat varieties in Shanxi province., 2018, 19: 1126–1137 (in Chinese with English abstract).

[44] Hu L J, Li G R, Zeng Z X, Chang Z J, Liu C, Yang Z J. Molecular characterization of a wheat–partial amphiploid and its derived substitution line for resistance to stripe rust., 2011, 52: 279–285.

[45] 郝薇薇, 湯才國, 李葆春, 郝晨陽, 張學勇. 小麥–十倍體長穗偃麥草廣譜抗銹易位系的鑒定及分析. 中國農業科學, 2012, 45: 3240–3248. Hao W W, Tang C G, Li B C, Hao C Y, Zhang X Y. Analysis of wheat–translocation lines with broad spectrum resistance to stripe rusts., 2012, 45: 3240–3248 (in Chinese with English abstract).

[46] 李振聲, 穆素梅, 蔣立訓, 周漢平, 吳景科, 余玲. 藍粒單體小麥研究(一). 遺傳學報, 1982, 9: 431–439. Li Z S, Mu S M, Jiang L X, Zhou H P, Wu J K, Yu L. A study on blue-grained monosomic wheat (I)., 1982, 9: 431?439 (in Chinese with English abstract).

[47] Miller T E, Reader S M. A guide to the homoeology of chromosomes within the., 1987, 74: 214–217.

[48] 李淑梅, 徐川梅, 周波, 陳佩度. 普通小麥–簇毛麥2V染色體端體異附加系的選育與鑒定. 南京農業大學學報, 2009, 32(1): 1–5. Li S M, Xu C M, Zhou B, Chen P D. Development and identification of–ditelosomic addition lines involving chromosome 2V of., 2009, 32(1): 1–5 (in Chinese with English abstract).

[49] Xin Z Y, Xu H J, Chen X. Research on introducing yellow dwarf resistance to common wheat using biotechnology.(Series B), 1991, 21: 36–42.

[50] McIntosh R A, Baker E P. Chromosome location and linkage studies involving thelocus for powdery mildew resistance in wheat., 1968, 93: 232–238.

[51] Hsam N B O, Kowalczyk K, Zeller F J, Hsam S L KCharacterization of powdery mildew resistance and linkage studies involving thelocus on chromosome 1A of common wheat (L.)., 2015, 56:37–44.

[52] Borner A, Schumann E, Furste A, Coster H, Leithold B, Roder M S, Weber W E. Mapping of quantitative trait loci determining agronomic important characters in hexaploid wheat (L.)., 2002, 105: 921–936.

[53] Jing H C, Kornyukhin D, Kanyuka K, Orford S, Zlatska A, Mitrofanova O P, Koebner R, Hammond-Kosack K. Identification of variation in adaptively important traits and genome-wide analysis of trait-marker associations in., 2007, 58: 3749–3764.

[54] Chai J F, Liu X, Jia J Z. Homoeologous cloning of omega-secalin gene family in a wheat 1BL/1RS translocation., 2005, 15: 658–664.

[55] 楊芳萍, 劉金棟, 郭瑩, 賈奧琳, 聞偉鄂, 巢凱翔, 伍玲, 岳維云, 董亞超, 夏先春. 普通小麥‘Holdfast’條銹病成株抗性QTL定位. 作物學報, 2019, 45: 1832–1840. Yang F P, Liu J D, Guo Y, Jiao A L, Wen W E, Chao K X, Wu L, Yue W Y, Dong Y C, Xia X C. QTL mapping of adult-plant resistance to stripe rust in wheat variety holdfast., 2019, 45: 1832–1840 (in Chinese with English abstract).

[56] 張懷志, 謝菁忠, 陳永興, 劉旭, 王勇, 閆素紅, 楊兆生, 趙虹, 王西成, 賈聯合, 曹廷杰, 劉志勇. 利用BSR-Seq定位小麥品種鄭麥103抗條銹病基因. 作物學報, 2017, 43: 1643–1649.Zhang H Z, Xie J Z, Chen Y X, Liu X, Wang Y, Yan S H, Yang Z S, Zhao H, Wang X C, Jia L H, Cao L J, Liu Z Y. Mapping stripe rust resistance genein wheat cultivar Zhengmai 103 by BSR-seq., 2017, 43: 1643–1649 (in Chinese with English abstract).

Identification of seedling resistance to stripe rust in wheat–translocation line and its potential application in breeding

WANG Yin1,**, FENG Zhi-Wei3,**, GE Chuan3, ZHAO Jia-Jia2, QIAO Ling2, WU Bang-Bang2, YAN Su-Xian2, ZHENG Jun2,3,*, and ZHENG Xing-Wei2,3,*

1Department of Natural Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041000, Shanxi, China;2Institute of Wheat Research, Shanxi Agricultural University, Linfen 041000, Shanxi, China;3College of Agriculture, Shanxi Agricultural University / Shanxi Key Laboratory of Crop Genetics and Molecular Improvement, Taiyuan 030000, Shanxi, China

There are abundant disease resistance resources in relative genus of wheat. The translocation line ZH811 derived from progeny of wheat andhybrids, was selected for evaluation of stripe rust resistance. A series of stripe rust races such as CYR29, CYR31, CYR32, CYR33, CYR34, Suwon-4, Suwon-5, and Suwon-7 were used to record stripe responses at seedling stage. Agronomical traits, quality traits, and molecular cytogenetic analysis were also performed. Moreover, specific molecular markers located on alien segment was developed by RAPD method. The results indicated that ZH811 was highly resistant to all tested races at seedling stage. And it further proved that the resistance was conferred by a small-fragment-translocation from the Eegenome on 5DS chromosome. The SCAR markers and black awn traits could be used to trace the translocation fragment. ZH811 possessed similar agronomic traits with the commercial cultivars in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers region of wheat. The translocation fragment may be associated with the increase of grain number. The components of thewere good-quality subunits, including 1, 17+18, and 5+10, and each quality index met the standard of moderate gluten. The alien chromosomal fragment had no obvious linkage drag to grain quality performance. Based on these findings, ZH811 could be used as a potential material for wheat breeding in high yield, disease resistance, and high quality.

stripe rust; translocation line; in situ hybridization; molecular marker

10.3724/SP.J.1006.2021.01082

本研究由中國博士后科學基金項目(2020M670701), 山西省重點研發計劃項目(201903D221074, 201903D221075)和山西省重點實驗室項目(201705D111008-22)資助。

This study was supported by the China Postdoctoral Science Foundation (2020M670701), the Key Research and Development Program in Shanxi Province (201903D221074, 201903D221075), and the Shanxi Key Laboratory Program (201705D111008-22).

鄭興衛, E-mail: smilezxw@126.com; 鄭軍, E-mail: sxnkyzj@126.com

**同等貢獻(Contributed equally to this work)

王音, E-mail: wangyinstar@163.com

2020-10-22;

2021-01-13;

2021-03-02.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210302.1431.002.html