小麥成株期抗葉銹病基因研究進展

隋新霞，崔德周，張榮亭，樊慶琦，布玉成，李永波，黃琛，楚秀生

（1.山東省農業科學院作物研究所，山東 濟南 250100；2.濟南市農業科學研究院，山東 濟南 250316；3.臨邑縣農業農村局，山東 臨邑 251500）

小麥葉銹病是由小麥葉銹菌（Puccinia tirticina）引起的真菌性氣傳病害，是世界性廣泛發生的病害之一，美國南部、南美洲、加拿大、埃及和我國大部分麥區均為該病重要流行區［1-3］。小麥葉銹病菌主要通過侵染小麥葉片影響光合作用，進而影響籽粒灌漿，導致千粒重降低，通常會造成10%～40%的減產，嚴重年份甚至造成絕產［1-3］。20世紀70年代，墨西哥西北部發生嚴重葉銹病，造成減產70%［4］。2015年、2016年我國黃淮麥區葉銹病發生比通常年份早1個月。2015年全國麥區葉銹病大發生，其中河南省大面積麥田葉片在幾天內快速干枯死亡，嚴重影響小麥正常灌漿，造成嚴重損失［5］。隨著全球氣候的變化，葉銹病已經由偶發性病害變成常發性病害。

選育和利用抗葉銹病品種，是防治該病最為經濟有效和環境友好的策略。小麥抗葉銹病基因研究，為其抗病品種培育提供了重要基礎。20世紀60年代，國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）最早改變其抗病基因研究利用思路，探索成株期抗病基因的研究和利用，50多年的實踐證明，成株期抗病基因的利用是培育持久抗病品種的重要途徑［6-8］。

1 小麥抗葉銹病基因的類型

一般來說，小麥抗葉銹病基因主要有兩種類型：一類是全生育期抗性基因，也稱為苗期抗性基因，由一個或少數幾個主效基因控制，表現為高抗或免疫，這類基因的抗性為小種專化性抗性，為垂直抗性，往往隨著葉銹病菌生理小種的變化而喪失抗性；另一類為成株期抗性，這類抗性大多由微效數量性狀基因控制，為水平抗性，通常單個基因的抗病能力較弱，但對病原菌無小種專化性或專化性弱。一般多個基因聚合后表現為中抗或高抗，且抗性持久，是培育持久抗性品種的基礎。Vanderplank［9］提出水平抗性學說，指出非小種特異性的水平抗性是植物保持持久抗性的重要基礎。Singh等［10］研究發現，聚合4～5個微效成株抗性基因的小麥材料對葉銹病呈高抗至免疫，因此，成株抗性基因的利用對培育持久抗性小麥品種至關重要。

2 成株期抗葉銹病基因研究

目前正式命名的抗葉銹病基因共79個，其中僅15個具有成株期抗性，分別是Lr12、Lr13、Lr22a、Lr22b、Lr23、Lr34、Lr35、Lr46、Lr48、Lr49、Lr67、Lr68、Lr75、Lr77和Lr78［11，12］。

Lr12是最早鑒定的成株期抗葉銹病基因，來源于普通小麥Exchange和中國春，位于4BL［13，14］。Lr12不同于大多數的成株期抗病基因，其抗病性在成株期表達，但它具有葉銹病小種專化性，屬于垂直抗性基因，它對目前多數葉銹病小種已喪失抗性，其研究對于理解不同類型基因的抗病機制有重要意義［15］。Singh等［14，15］推測來源于四倍體二粒小麥的Lr27為Lr12的變形基因，位于4DL上，是苗期抗病基因，且抗性需要互補基因Lr31的存在。Lr27也是一個兼抗型基因，對小麥條銹病、白粉病和稈銹病具有抗性，記作Lr27/Yr30/pm48/Sr2。雖然Lr27苗期抗葉銹病，但對條銹病、白粉病和稈銹病的抗性則屬于成株期抗性。Lr27對當前流行小種不具有抗性，但是該基因的存在對于成株抗病基因Lr34和Lr46的抗性有增強作用［15］。Lr12和Lr27對病害的作用機理也反映出抗病基因作用機制的復雜性。

Lr13最早在普通小麥品種Frontana中被鑒定，存在于很多北美的硬紅春小麥品種中，被世界各地的多個育種單位所應用［13，16］。它位于2B染色體上，是成株期抗病基因，對多數葉銹病小種表現為水平抗性，距離最近的SSR標記GWM630為10 cM，進一步開發緊密連鎖的分子標記將有助于該基因在育種中的應用［17］。

Lr22a來源于偏凸山羊草（Aegilops tauschii），通過人工雜交合成六倍體小麥，后與Thatcher六次回交，育成攜帶Lr22a的品系RL6044。Lr22a是一個具有廣譜抗性的成株抗病基因，位于2DS染色體上，SSR標記GWM296是其緊密連鎖的分子標記，該標記是來源于偏凸山羊草基因組的獨特標記，可用于標記輔助選擇［18，19］。

Lr22b來源于普通小麥，在小麥品種Thatcher中鑒定到，并定位在2DS上，與Lr22a位于染色體相近位置，屬成株抗性基因，但該基因的抗病作用較小，所以研究較少［20，21］。

Lr23來源于硬粒小麥品種Gaza，通過雜交組合Bobin W39*2／Gaza cross轉移到普通小麥中，育成小麥品種Gabo和Timstein［22，23］。McIntosh等［24］將Lr23定位在2BS上。SSR標記sun471與Lr23的遺傳距離為0.6 cM，可用于分子標記輔助選擇；KASP標記sunKASP＿16，sunKASP＿47和sunKASP＿48可以更準確地選擇四倍體硬粒小麥和普通小麥中的Lr23，是高通量的選擇標記，極大提高了Lr23的選擇效率［25］。

Lr34來源于普通小麥，最初是從一個中國小麥地方品種（PI 58548）中鑒定出來的。20世紀早期的意大利小麥品種Mentana和Ardito也含有該基因［26，27］。該基因育種應用已超過100年的歷史，它至今仍保持著良好抗性。Dyck［28］利用單體缺體，將Lr34定位在7DS染色體上，隨后多位科學家利用分子標記進一步精細定位了該基因。兩個分子標記SWM10和csLV34被認為是比較可靠追蹤Lr34基因的功能標記［29，30］。Lagudah等［31］又設計了5個位點特異的位點組合成cssfr1-cssfr5功能標記，對Lr34的鑒定更為精確。Fang等［32］在外顯子11和22開發的KASP標記，可以精確鑒定Lr34的等位變異。Krattinger等［33］利用精細定位群體進一步縮小了Lr34位點的范圍，通過圖位克隆獲得該基因，它編碼含有1 401個氨基酸殘基的ABC轉運蛋白，屬于多效耐藥性蛋白亞家族。該基因不僅對葉銹病具有成株抗性，同時還對小麥條銹病、稈銹病、白粉病具有成株抗性，記作Lr34/Yr18/Pm38/Sr57［34］。關于Lr34抗病性的研究很多，有研究認為Lr34在16℃以下可以減緩葉銹病的發展，高于20℃作用不顯著［21］。Fang等［35］研究表明Lr34的部分抗性可能與其較大比例的錯誤剪接體相關。

Lr35來源于二倍體小麥屬近緣種擬斯卑爾脫山羊草（Triticum speltoides），定位在2B染色體上［36］。Lr35對匈牙利、加拿大和美國的葉銹病小種均有較高水平抗性，對我國的葉銹病小種也表現為高水平抗性［37］。利用BCD260F1／35R2引物組合開發的STS標記，可用于標記輔助選擇［38］。

Lr46是從CIMMYT小麥品種Pavon76中發現的抗葉銹病基因，其抗病性與Lr34相似，也是多抗性基因，記作Lr46/Yr29/Pm39/Sr58［39］。目前研究認為該基因有兩個來源：一個是南美烏拉圭的小麥地方品種Americano 25e，另一個是古老的印度品種Sujata［40，41］。SSR標記Xwmc44與Lr46的距離為5.6 cM，是較為好用的PCR標記，CAPS標記csLV46G22是距離Lr46最近的標記，可用于分子標記輔助選擇［42，43］。

Lr48和Lr49分別來源于澳大利亞普通小麥Condor和印度普通小麥VL404［44］。Bansal等［45］將Lr48定位在2BS上，與成株抗性基因Lr13連鎖；Lr49定位在4BL上。Nsabiyera等［46］開發了Lr48的KASP標記IWB70147，它在分子標記輔助選擇中非常有用；Lr49兩側標記分別為Xbarc163（8.1 cM）和Xwmc349（10.1 cM），在沒有新標記開發之前，可用于標記輔助選擇。Lr48和Lr49都屬于具有廣譜抗性的成株抗病基因，在澳大利亞和印度抗病育種中具有重要作用。

Lr67是從普通小麥里發現的另一個兼抗型基因，最初鑒定于巴基斯坦地方品種（PI 250413）。Hiebert等［47］利用分離群體進行連鎖分析，將該基因定位在4DL上，并正式命名為Lr67。Herrera-Foessel等［48，49］將RL6077中的抗條銹病基因Yr46和Lr67定位到4DL染色體的同一區段，并發現Lr67/Yr46位點具有稈銹病和白粉病抗性，且呈現旗葉葉尖壞死癥狀，將其命名為多效位點：Lr67/Yr46/Sr55/Pm46/Ltn3。Moore等［50］通過圖位克隆方法克隆了Lr67，該基因編碼具有514個氨基酸殘基的蛋白質，與H＋／單糖轉運 蛋 白 （H＋／monosaccharide symporter）中 的STP13家族高度相似，該家族有助于己糖（hexose）的跨膜運輸。

Lr68來源于普通小麥品種Parula的成株期抗葉銹病基因，位于7BL上，與小種專化型抗葉銹病基因Lr14b緊密連鎖，分子標記Psy1-1和gwm146與該基因緊密連鎖，可用于分子標記輔助選擇。含Lr68小麥品種也表現出一定的旗葉干尖的性狀，但是干葉尖的面積比Lr34、Lr67和Lr46輕很多［51］。

Lr75來源于瑞士普通冬小麥品種Forno，為Singla等［52］鑒定的一個成株抗性基因，位于1BS上。SSR標記gwm604和swm271可用于分子標記輔助選擇。抗病近等基因系鑒定顯示，Lr75的抗病性較Lr34稍弱，QTL分析顯示該基因表現出較好的加性效應，可與其它基因聚合，提高抗病性。

Lr77來源于美國的硬紅冬普通小麥Santa Fe，Kolmer等［53］通過SNP分析將其定位在3BL上，在IWB10344-IWB73555區間開發合適的分子標記可用于該基因的標記輔助選擇。Lr77的成株期抗性水平與Lr78相近，作為一個重要的抗病基因可用于持久抗病品種的培育。

Lr78來自巴西普通小麥品種Toropi，被定位在5DS上，KASP標記IWA6289是一個非常方便用于扶助選擇的分子標記。另外，Lr78多年多點田間鑒定表明其抗葉銹效應比含有Lr34、Lr46或Lr67的Thatcher品系強［54］。

3 前景與展望

由于氣候變化等原因，新的葉銹病小種不斷出現，全生育期抗性品種很快因病原生理小種的變化而喪失抗性。CIMMYT對成株抗性系統研究和育種實踐表明，聚合4～5個成株抗病基因就能夠實現高抗至免疫。因此，開展成株期抗葉銹病基因的開發和研究，是培育持久抗病品種的基礎［7，10］。

我國當前推廣品種中成株期抗葉銹病基因分布相對較少。閆曉翠等［55］分析了30個當前生產上大面積種植小麥品種的抗葉銹病基因，僅陜225和小偃81含有Lr46，西農979、陜229和貴農16可能含有Lr13。僅含有一個成株抗病基因的品種很難達到中抗水平，需要聚合多個成株抗病基因才能培育持久抗病品種。CIMMYT北京辦事處從2000年起，引進大批具有成株期抗性的小麥種質，同時我國科學家從本地地方品種和育成品種中也鑒定到具有成株期抗性的基因，為我國聚合成株期抗病基因、培育持久抗病品種提供了親本材料［7］。

數量性狀特性的成株期抗病基因，在表型鑒定上很難把握，需要多年多點鑒定，因此早期成株期抗病基因研究相對較少。隨著科學家對成株期抗病基因在育種中重要性認識的深入，越來越多的成株期抗葉銹病基因被鑒定。伴隨分子標記的飛速發展，越來越多的成株期抗病基因都已經開發了相應的分子標記，使得抗病基因的選擇不再依賴準確的表型鑒定，提高了抗病基因聚合效率。

已定名的成株抗葉銹病基因中僅Lr22a和Lr35來源于近緣種，而大多數來源于普通小麥，說明普通小麥是成株抗性基因的重要來源。源于普通小麥的抗病基因不存在過多的外源基因所攜帶的不利基因，這些小麥品種與遠緣種質相比農藝性狀良好，育種實踐中更利于育種家應用，是良好的基因來源。我國黃淮麥區的小麥品種，如魯麥21、百農64、濰麥8號等均含有成株抗葉銹病基因，是黃淮麥區重要的持久抗病育種基因來源［56，57］。相信隨著育種家對成株抗性基因重要性認識的不斷深入和基因的不斷發掘，以及在育種中的廣泛應用，持久抗病將成為抗病育種最重要的育種目標之一。