甘蔗新品種及主栽品種對褐銹病抗性與Bru1基因分子檢測

張榮躍 王曉燕 楊 昆 單紅麗 倉曉燕 李 婕 王長秘 尹 炯 羅志明 李文鳳 黃應昆

云南省農業科學院甘蔗研究所 / 云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室, 云南開遠 661699

甘蔗銹病是世界性的甘蔗重要病害之一, 根據癥狀和病原特征, 甘蔗銹病分為 2種類型, 即由黑頂柄銹菌(Puccinia melanocephalaH. Sydow & P. Sydow.)引起的甘蔗褐銹病和由屈恩柄銹菌(Puccinia kuehniiButler.)引起的甘蔗黃銹病[1-3]。我國蔗區發生的甘蔗銹病以褐銹病為主,黃銹病僅在局部蔗區的少數品種上零星發生[4]。甘蔗褐銹病于 1890年首次報道發生在印度尼西亞爪哇島[5], 目前在世界許多植蔗國家和地區均有分布, 時常發生流行、危害成災, 經濟損失巨大[1,6-9]。甘蔗褐銹病于 1982年在云南耿馬蔗區發生流行[10], 隨后我國大陸各甘蔗種植區均有報道和分布[11-14]。多年來, 甘蔗褐銹病在我國主產蔗區時有發生, 是危害甘蔗最為嚴重的真菌病害之一[15-18]。2015—2019年, 云南、廣西甘蔗主產區因感病品種粵糖60號、德蔗 03-83、巴西 45號、柳城03-1137、桂糖 29號等規模化連片種植, 加上連年雨季早、持續期長、多雨高濕誘發甘蔗褐銹病大面積暴發成災, 減產減糖嚴重[2,18],褐銹病已成為蔗糖產業高質量發展的主要障礙因素之一。因此, 及時了解現有品種對褐銹病的抗病性和抗病基因分布狀況, 對選育抗病品種、有效防控該病害具有重要意義。

國內外研究表明, 不同甘蔗品種對甘蔗褐銹病抗性不一, 選種抗病品種是控制甘蔗褐銹病最經濟有效的措施, 一些國家通過培育和選用抗病品種, 加強田間水肥管理和早期監測與綜合防控, 甘蔗褐銹病得到了有效控制[19-22]。自20世紀90年代, 國外學者在甘蔗抗病基因發掘上取得實效, 利用與抗病基因緊密連鎖的分子標記發現在甘蔗品種R570存在1個抗褐銹病基因Bru1[23-24], 并開發出與Bru1密切相關的2個分子標記R12H16、9O20-F4用于品種資源檢測[25-26], 這為充分發掘和利用品種抗性進行合理布局有效防控甘蔗褐銹病奠定了基礎。而近年我國各甘蔗育種單位聯合攻關選育的一批甘蔗優良新品種, 其對甘蔗褐銹病的抗性和Bru1基因分布狀況不清, 各蔗區在選用抗病新品種進行品種合理布局和有效防控甘蔗褐銹病缺乏依據。為此, 本研究結合甘蔗新品種區域化試驗病情調查, 于2016—2019年對中國近年選育的60個優良新品種和 34個主栽品種進行褐銹病抗性評價及Bru1基因的PCR檢測, 以期篩選抗褐銹病品種、發掘抗源種質, 為生產上品種合理布局和有效防控甘蔗褐銹病提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

國家糖料甘蔗區域試驗的60個優良新品種(表1)和云南、廣西蔗區34個主栽品種見表2, 區試對照品種新臺糖22號, 含Bru1基因抗病對照品種R570[23]和新臺糖1號[23],感病對照品種粵糖60號。

1.2 新品種抗性鑒定

于2016—2017年和2018—2019年在云南開遠區域化試驗站進行優良新品種區域化試驗, 以新臺糖22號為區試對照種, 以含Bru1基因新臺糖1號及R570和粵糖60號分別作為抗病和感病對照品種, 采用隨機區組排列, 各供試品種3次重復, 每小區種植5行, 行長6 m, 種植行距1 m,每小區面積30 m2。在試驗田周圍和每隔2個供試品種種植2行高感褐銹病品種粵糖60號, 盡可能為各供試品種感病提供侵染菌源。

結合區域試驗, 分別于每年 9月至10月感病對照品種充分發病時調查供試品種新植蔗和宿根蔗發病情況,對各供試品種進行1年新植和1年宿根抗性評價。各供試品種每重復選定中間3行連續調查100株有效蔗株的發病情況, 3個重復共調查300株, 目測完全展開的全部葉片感病狀況及侵染面積百分率。參照 Costet等[26]的評價方法按1～9級分級標準進行褐銹病抗性評價。

1.3 主栽品種抗性鑒定

2016—2019年對云南臨滄、云南普洱、云南玉溪和廣西宜州蔗區代表性主栽品種、新植蔗與宿根蔗進行抗性評價, 分別于每年9月至10月感病品種粵糖60號或桂糖46號充分發病時調查主栽品種新植蔗和宿根蔗發病情況。各主栽品種、新植蔗與宿根蔗選擇代表性田塊采用3點取樣,每點連續調查100株有效蔗株的發病情況, 目測完全展開的全部葉片感病狀況及侵染面積百分率。按1.2的方法進行抗性評價。

1.4 Bru1基因的PCR檢測

分別采集各品種充分展開的第 1片新葉提取其總DNA, 參照Costet等[26]和李文鳳等[28]的方法進行Bru1基因的PCR檢測。

2 結果與分析

2.1 新品種對褐銹病抗性鑒定結果

田間自然發病下抗性鑒定結果表明, 開遠區試點新植、宿根、抗病對照品種新臺糖1號和R570均表現高抗, 感病粵糖60號表現高感2, 抗性穩定、一致。60個供試新品種新植、宿根病情一致, 高抗至中抗的有41個, 占68.33%;中感到高感2的有19個, 占31.67%。其中粵甘48、福農09-2201、桂糖 08-120、柳城 09-15、中蔗 1 號、云蔗 08-1609、云瑞10-187、德蔗12-88等15個新品種表現高抗, 占25%;粵甘50、福農08-3214、桂糖06-1492、柳城09-19、中蔗6號、云蔗11-1074、云瑞10-701、德蔗09-78、中糖1201等16個新品種表現抗病, 占26.67%; 粵甘53、福農07-3206、桂糖06-2081、中蔗10號、云瑞11-450、中糖 1202等10個新品種表現中抗, 占16.67%; 粵甘47、福農10-14405、海蔗22號、中糖1301四個新品種表現中感, 占6.67%; 粵甘52、閩糖07-2005、柳城07-150、云瑞12-263等11個新品種表現感病, 占18.33%; 桂糖13-386、粵甘43、粵甘49、云蔗09-1601四個新品種表現高感, 占6.67% (表1)。

表1 甘蔗新品種對褐銹病菌的抗性與Bru1基因PCR檢測結果Table 1 PCR detection of Bru1 and evaluation of field resistance to Puccina melanocephala in new sugarcane varieties

(續表 1)

2.2 主栽品種抗褐銹病鑒定結果

34個主栽品種不同蔗區新植、宿根病級一致, 高抗至中抗的有25個, 占73.53%; 中感到高感2的有9個, 占26.47%。其中新臺糖1號、新臺糖22號、粵糖86-368、盈育91-59等16個主栽品種表現高抗, 占47.06%; 5個主栽品種粵糖93-159、粵糖00-236、云蔗03-258、云蔗05-49和川糖 79-15表現抗病, 占 14.71%; 4個主栽品種云蔗05-51、云引10號、桂糖11號和桂糖36號表現中抗, 占11.76%; 2個主栽品種柳城05-136和桂糖42號表現中感,占5.88%; 3個主栽品種桂糖29號、桂糖44號、德蔗03-83表現感病, 占8.82%; 4個主栽品種柳城03-1137、粵糖60號、巴西45號和桂糖46號表現高感, 占11.76% (表2)。

2.3 Bru1基因的PCR檢測

PCR檢測結果表明, 含Bru1的抗病對照品種新臺糖1號和R570均分別穩定擴增出 2個目的條帶, 而感病對照品種粵糖60號未能擴出2個目的條帶; 60個供試新品種中有36個抗病新品種擴增出2個目的條帶, 表明含有Bru1基因, 頻率為60%, 其余5個抗病和19個感病新品種未能擴出2個目的條帶(表1); 34個供試主栽品種中有18個抗病主栽品種擴增出2個目的條帶, 證明含有Bru1基因, 頻率為52.94%, 其余7個抗病和9個感病主栽品種未能擴出2個目的條帶(表2)。

3 討論

甘蔗褐銹病是為害甘蔗葉部的重要流行性真菌病害, 不同甘蔗品種對甘蔗褐銹病抗性不一, 篩選抗病品種合理布局可有效防控甘蔗褐銹病流行危害[2,21]。鑒于褐銹病是當前嚴重影響中國甘蔗產業高質量發展的重要病害, 今后應調整甘蔗抗病育種策略, 將抗甘蔗褐銹病新品種選育作為主要經濟指標之一, 加強抗褐銹病甘蔗種質資源的評價篩選, 切實提高抗褐銹病甘蔗新品種選育效率。云南是世界野生甘蔗起源中心之一,也是中國甘蔗野生資源重要分布中心[28-29], 甘蔗野生資源是現代甘蔗育種中抗病基因的重要來源, 已有研究顯示, 中國甘蔗種質資源圃保存的野生種質資源中蘊藏著優良的抗病基因, 是抗病甘蔗品種選育的重要抗源[27,30-33]。本研究結果顯示, 中國近年選育的新品種及主栽品種中也蘊藏有優良的Bru1基因, 在因地制宜擇優推廣抗褐銹病新品種及主栽品種的同時, 可與野生種質資源雜交擴寬遺傳基礎, 充分發揮其應用潛力,為抗褐銹病甘蔗新品種培育充實抗性基因源, 這與本課題組前期研究結果[27]一致。

表2 甘蔗主栽品種對褐銹病菌的抗性與Bru1基因PCR檢測結果Table 2 PCR detection of Bru1 and evaluation of field resistance to Puccina melanocephala in major sugarcane varieties

先前的研究表明, 許多抗褐銹病的甘蔗野生種質資源和主要育種親本未檢測到抗病基因Bru1[27,35], 而本研究中高抗褐銹病的 2個新品種福農 09-7111和福農11-2907, 中抗褐銹病的3個新品種中蔗10號、云瑞11-450和中糖 1202未檢測到抗褐銹病基因Bru1, 這表明除了Bru1基因外, 可能還存在其他抗褐銹病基因, 有待于進一步深入研究。Bru1基因目前已在甘蔗抗褐銹病評價中廣泛使用[27,35-36], 還未發現含有Bru1基因的品種出現感褐銹病的情況, 雖然目前還未發現Bru1基因抗性衰退的報道, 但仍存在長期使用導致其抗病性下降、發生抗性丟失的危險, 所以應加強其他抗褐銹病基因在抗病育種中的引入與利用, 避免因病原變異引起Bru1抗性喪失的潛在威脅。

感病品種大面積種植加上多雨高濕是甘蔗褐銹病暴發流行的主要誘因, 不同甘蔗品種對甘蔗褐銹病抗性不一, 防治甘蔗褐銹病最為經濟有效的措施是選種抗病品種[2,13]。本研究結果顯示, 目前大面積種植的桂糖29號、桂糖 44號、德蔗03-83、柳城03-1137、粵糖 60號、巴西45號、桂糖46號7個主栽品種高度感病, 而近年選育的粵甘48、福農09-2201、柳城09-15、中蔗 1號、云蔗08-1609、云瑞10-187、德蔗12-88、中糖1201等31個優良新品種抗病力強。建議多雨濕潤甘蔗褐銹病高發蔗區,應加大淘汰感病主栽品種和推廣應用抗病優良新品種力度, 以期達到品種合理布局, 從根本上控制蔗區病害的暴發流行, 為中國甘蔗產業高質量發展提供安全保障。