小麥抗病遺傳多樣性對(duì)條銹病的調(diào)控效應(yīng)

陳偉帥, 高 利, 劉太國(guó), 劉 博, 陳萬(wàn)權(quán)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

小麥抗病遺傳多樣性對(duì)條銹病的調(diào)控效應(yīng)

陳偉帥, 高 利*, 劉太國(guó), 劉 博, 陳萬(wàn)權(quán)*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所,植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

選用小麥抗條銹病近等基因系的5個(gè)品種,進(jìn)行不同混播處理,研究了混播群體中存在各不同抗病基因時(shí)對(duì)小麥條銹病的控制效果。試驗(yàn)結(jié)果表明,兩個(gè)單基因品種混播多不能顯著降低條銹病的發(fā)生,而3個(gè)以上單基因品種混播多可顯著降低條銹病的發(fā)生,而且4～5個(gè)品種混播的REM值也說(shuō)明多個(gè)品種的混播可減少條銹病的發(fā)生。但是,防效并非完全與混播基因數(shù)目有關(guān),而與基因的類(lèi)型也有關(guān)。不同抗病基因?qū)l銹菌生理小種的選擇存在差異,小麥群體中所含的豐富抗病基因可減緩優(yōu)勢(shì)小種的出現(xiàn)。千粒重?cái)?shù)據(jù)顯示,品種混播的千粒重高于單個(gè)品種。

小麥條銹病; 近等基因系; 混播; 病情指數(shù); 產(chǎn)量

小麥條銹病是由小麥條銹菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)引起的在世界范圍廣泛發(fā)生和流行的病害,該病害在全世界小麥主產(chǎn)區(qū)一般可造成0.1%～5%的產(chǎn)量損失,部分地區(qū)可減產(chǎn)5%～25%[1]。該病害發(fā)生面積廣、流行頻率高,在我國(guó)危害尤其嚴(yán)重[2]。在小麥條銹病的綜合防治上,種植抗病品種被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、有效和環(huán)保的措施[3],但是由于小麥條銹菌的毒性易發(fā)生變異,導(dǎo)致品種的抗性很容易被新毒性小種所克服,一般3～5年便會(huì)喪失抗性[4],降低了抗病品種利用的經(jīng)濟(jì)有效性。

近年來(lái),利用生物遺傳多樣性控制病蟲(chóng)害有了新的發(fā)展。Cox等[5]的研究表明,葉銹病發(fā)生嚴(yán)重度隨著混合品種中感病品種比例的降低而顯著降低,并高于兩個(gè)品種單種的產(chǎn)量。Zhu等[6]發(fā)現(xiàn),水稻的感病品種和抗病品種間栽可有效控制稻瘟病,感病品種比其單作增產(chǎn)89%,并且發(fā)病嚴(yán)重度降低94%。黃沖等[7]發(fā)現(xiàn),小麥抗感品種混(間)種對(duì)本地菌源引起的小麥條銹病有明顯效果,對(duì)病害減輕程度為29.6%～81.9%,對(duì)外來(lái)菌源引起的病害效果較差。郭世保等[8]發(fā)現(xiàn),品種混播以抗感組合較好,且混播小區(qū)條銹菌的遺傳多樣性高于單播小區(qū);李進(jìn)斌等[9]發(fā)現(xiàn),小麥品種混種能有效地減少單個(gè)葉片中的小種數(shù),并顯著降低小麥條銹菌優(yōu)勢(shì)小種的出現(xiàn)頻率。但這些報(bào)道中,混播的防病效果波動(dòng)比較大,且有負(fù)防效的出現(xiàn)。以往關(guān)于小麥混播的研究中,多使用生產(chǎn)品種,遺傳背景以及農(nóng)藝性狀差異較大,影響結(jié)果的因素較多,從而對(duì)混播效果進(jìn)行分析時(shí)比較復(fù)雜。本研究的選材為小麥近等基因系品種,除抗病基因不同外,其他遺傳背景完全相同,農(nóng)藝性狀極其相似。故可以排除遺傳背景及農(nóng)藝性狀不同的影響,從而更容易對(duì)混播中抗病基因間的相互作用效應(yīng)進(jìn)行研究,從抗病基因方面入手,為利用多樣性控制小麥條銹病提供理論依據(jù)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 小麥品種

小麥近等基因系品種Avocet S*6/Yr 1、Avocet S *6/Yr 6、Avocet S*6/Yr9、Avocet S*6/Yr10、Avocet S*6/Yr24,由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所麥類(lèi)真菌病害課題組提供。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所甘谷試驗(yàn)站,種植時(shí)間為2013年10月6日。設(shè)置18個(gè)處理：

(1)Avocet S*6/Yr 1;(2)Avocet S*6/Yr 6; (3)Avocet S*6/Yr 9;(4)Avocet S*6/Yr 24;(5) Avocet S*6/Yr 10;(6)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6;(7)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/ Yr 9;(8)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9;(9) Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6+Avocet S* 6/Yr 9;(10)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/ Yr 24;(11)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 10; (12)Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 24;(13) Avocet S*6/Yr 24+Avocet S*6/Yr 10;(14)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/ Yr 24;(15)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 24 +Avocet S*6/Yr 10;(16)Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 10;(17)Avocet S *6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/Yr 24+ Avocet S*6/Yr 10;(18)Avocet S*6/Yr 1+Avocet S*6/Yr 6+Avocet S*6/Yr 9+Avocet S*6/ Yr 24+Avocet S*6/Yr 10。

每處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為2 m×3 m,每個(gè)小區(qū)種植小麥10行,行長(zhǎng)2 m,行距0.3 m,小區(qū)間距0.6 m,重復(fù)間距0.5 m。重復(fù)間均勻穴播1行‘銘賢169’為誘發(fā)行。播種前測(cè)定各品種的發(fā)芽率和千粒重,根據(jù)混播小區(qū)中各組分的發(fā)芽率和千粒重,稱取相等有效麥粒數(shù),等比例混合,然后按照每行播種量稱重分裝到行。試驗(yàn)地采用正常的肥水管理,全生育期內(nèi)不施用任何殺菌劑。

1.3 接種與病害調(diào)查

2014年3月26日進(jìn)行田間接種。接種選用包含甘肅當(dāng)?shù)刂饕餍行》NCYR32和CYR33的混合菌,在誘發(fā)品種‘銘賢169’幼苗上噴霧接種。

病害調(diào)查開(kāi)始于2014年5月6日,共調(diào)查5次,采用五點(diǎn)取樣法,每點(diǎn)調(diào)查20株,記載各小區(qū)病葉數(shù)及嚴(yán)重度,每6 d調(diào)查一次。

嚴(yán)重度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及病葉率和病情指數(shù)的計(jì)算均按《小麥條銹病測(cè)報(bào)調(diào)查規(guī)范》(GB/T15795-1995)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.4 產(chǎn)量、千粒重測(cè)定

于各小區(qū)品字形選3點(diǎn),每點(diǎn)收取1 m2,應(yīng)做到所收小麥的長(zhǎng)勢(shì)均勻。脫粒后曬干篩凈,分別稱重取平均值,然后折算為667 m2產(chǎn)量。從每個(gè)小區(qū)收獲的種子中隨機(jī)取500粒稱重,重復(fù)3次取平均值,并折算為千粒重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel計(jì)算病情指數(shù)(disease index,DI),病情曲線下面積(area under disease progress curve,AUDPC),相對(duì)防效和相對(duì)增加率等數(shù)據(jù)。采用SAS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。

病情曲線下面積AUDPC的計(jì)算公式為：

Xi,Xi+1分別為時(shí)間Ti和Ti+1時(shí)的病情指數(shù),n為調(diào)查次數(shù)。

病情指數(shù)的計(jì)算公式為：

相對(duì)防效的計(jì)算公式為：

A1：混合種植中AUDPC、病葉率或病情指數(shù)的理論值;

A2：混合種植中AUDPC、病葉率或病情指數(shù)的實(shí)際值。

相對(duì)增加率的計(jì)算公式為：

A3：混合種植產(chǎn)量、千粒重的理論值;

A4：混合種植產(chǎn)量、千粒重的實(shí)際值。

其中理論值是指根據(jù)組合中單種的AUDPC、病葉率、病情指數(shù)、產(chǎn)量、千粒重,計(jì)算出的加權(quán)平均數(shù),權(quán)數(shù)為各組分在該混播組合中所占的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 混播對(duì)條銹病的防治效果

2.1.1 不同組合混播的病葉率和病情指數(shù)

從表1可看出,與病葉率理論值相比,混播小區(qū)的病葉率有所降低。13個(gè)混播處理中,僅處理8和10是負(fù)防效(相對(duì)防效值為-3.13%和-7.36%,沒(méi)有防治效果),其余的11個(gè)混播組合皆為正防效?；觳バ^(qū)病葉率實(shí)測(cè)值小于理論值的占84.61%,相對(duì)防效在2.84%～39.23%之間,故混播能一定程度上降低病葉率,減少條銹病的發(fā)生。

通過(guò)病情指數(shù)可以看出,混播中實(shí)測(cè)值低于理論值的占53.84%,相對(duì)防效為17.87%～79.66%。在所有混播處理中,2品種混播,表現(xiàn)正防效的為處理6、7和11,占42.86%,表現(xiàn)負(fù)防效的為處理8、10、12、13,占57.14%;3品種混播,表現(xiàn)正防效的為處理15和16,占50%,表現(xiàn)負(fù)防效的為處理9和14,占50%;4品種和5品種混播,即處理17和18,均表現(xiàn)為正防效。

由此可見(jiàn),3個(gè)以下品種混播中,既有正防效也有負(fù)防效,而4品種和5品種混播則皆表現(xiàn)為正防效,這表明小麥近等基因系混種,對(duì)條銹病的發(fā)生有調(diào)控作用,具體表現(xiàn)為,在一定程度上,抗病基因越豐富,病情指數(shù)越低。

而當(dāng)組合中抗病基因在3個(gè)以下時(shí),有些組合包含的基因數(shù)目相同但防效卻有正有負(fù)(如組合6和組合8,都是2基因組合,防效卻分別為70.68%和-156.65%),這似乎與上述結(jié)論相悖,然而這些組合中盡管基因數(shù)目相同,但基因類(lèi)型卻并不相同,由此可見(jiàn),并非簡(jiǎn)單的混種就能減輕病害,而是與組合中所包含的基因類(lèi)型有關(guān)。如本試驗(yàn)正防效組合中,多存在Avocet S*6/Yr6和Avocet S*6/Yr 10;負(fù)防效組合中多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S* 6/Yr 24。

表1 單播與混播小麥灌漿期病葉率和病情指數(shù)1)Table 1 Diseased leaves rate and disease index in the filling stage of mono-and mix-planting wheat

圖1 小麥單播與混播各處理病葉率發(fā)展動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamic change of diseased leaves rate by mono-and mix-planting

2.1.2 各處理的AUDPC

混播中AUDPC實(shí)測(cè)值低于理論值的占53.84%,相對(duì)防效在16.96%～76.42%之間。2品種混種中正效應(yīng)比例42.85%,而3品種混種正效應(yīng)比例提高為50%,4品種和5品種組合病害均有所減輕。產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的組合中,多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S*6/Yr 24。抗病基因的數(shù)目及類(lèi)型均會(huì)一定程度地影響防效。

圖2 小麥單播與混播各處理AUDPC理論值與實(shí)測(cè)值比較Fig.2 Theoretical and measured AUDPC in treatments of mono-and mix-planting

2.2 混播對(duì)產(chǎn)量的影響

有10個(gè)組合產(chǎn)量實(shí)測(cè)值大于理論值(圖3),占76.92%,增幅在3.06%～16.39%之間。但增幅并不顯著。

千粒重實(shí)測(cè)值大于理論值的組合占92.31%?；觳ヌ幚?、8、9、12、14、16、17、18顯著高于單播3,混播處理15、18顯著高于單播4,混播處理8顯著高于單播2(表2)。因此,混播可一定程度上降低條銹病對(duì)產(chǎn)量的影響。

圖3 小麥單播與混播各處理產(chǎn)量理論值與實(shí)測(cè)值比較Fig.3 Theoretical and measured value of wheat yields by mono-and mix-planting

3 結(jié)論與討論

前人有很多品種混種對(duì)病害控制作用的研究,不過(guò)選材上多集中于生產(chǎn)品種,旨在直接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植,各品種都含有多個(gè)抗病基因,遺傳背景比較復(fù)雜,農(nóng)藝性狀也多有差異。這使得在多樣性控制條銹病的研究中增加了很多變量。本試驗(yàn)選用近等基因系品種混播,來(lái)研究多樣性對(duì)條銹病的調(diào)控作用,排除了遺傳背景上的差異,僅有抗病基因的不同,這樣更易研究不同基因之間的相互影響。

以前的研究中,品種混種的防病效果不盡相同,波動(dòng)較大,有時(shí)候甚至出現(xiàn)病害加重的現(xiàn)象。黃沖等[7]的研究表明,混(間)種對(duì)病害的減輕程度為29.6%～81.9%。許韜等[10]的研究結(jié)果顯示,混種對(duì)小麥白粉病的防效在1.23%～56.65%之間,但并非所有組合都表現(xiàn)正效應(yīng)。這與本試驗(yàn)結(jié)果相似,混播中AUDPC實(shí)測(cè)值低于理論值的占53.84%,相對(duì)防效在16.96%～76.42%之間。這表明利用多樣性防治病害時(shí)并不能隨意選擇品種來(lái)混種,還需要考慮抗病基因的搭配。

表2 小麥不同品種單播和混播的千粒重1)Table 2 Thousand-grain weight of different wheat varieties by mono-and mix-planting

從影響品種混種防治效果的因素方面,以往研究中多提到其防病效果與品種數(shù)目相關(guān)。Mundt等[11]認(rèn)為當(dāng)混播品種數(shù)目在2～4之間時(shí),隨品種數(shù)目增加其防病效應(yīng)提高,當(dāng)數(shù)目增加到5個(gè)時(shí),控病效果反而下降。郭世保等[12]的結(jié)果表明,在2～4個(gè)抗性小麥品種組合中,其混合效應(yīng)隨混合群體中小麥品種組合數(shù)目的增多而增強(qiáng),當(dāng)組分?jǐn)?shù)目增加到5個(gè)時(shí),混合效應(yīng)不再繼續(xù)增加,在小麥品種搭配上,以抗感搭配效果顯著。陳企村等[13]對(duì)7個(gè)品種的試驗(yàn)結(jié)果表明小麥品種混種對(duì)條銹病的病害防治效應(yīng),具有隨組分?jǐn)?shù)目的增加而提高的趨勢(shì)。本試驗(yàn)中,并非所有混種組合的嚴(yán)重程度都減輕,相反有的組合發(fā)病加重,表現(xiàn)為2～3品種混種中既有正防效又有負(fù)防效,這表明防病效果并非簡(jiǎn)單地與品種數(shù)目有關(guān)。而2品種混種中正防效比例為42.85%,3品種混種正效應(yīng)比例提高為50%,4品種和5品種組合病害均有所減輕。這說(shuō)明在一定范圍內(nèi),抗病基因越豐富,對(duì)病害控制作用越好。

此外,2品種和3品種混播中,病害減輕的組合多含有Avocet S*6/Yr 6和Avocet S*6/Yr 10組分,而病害加重的組合中多含有Avocet S*6/Yr 9和Avocet S*6/Yr 24組分,這表明,當(dāng)混播組合中抗病基因較少時(shí),防病效果并非簡(jiǎn)單決定于抗病基因的數(shù)目,抗病基因的類(lèi)型也起了重要作用。一些特定的基因搭配,會(huì)產(chǎn)生更高的防效。

從千粒重來(lái)看,有12個(gè)組合實(shí)測(cè)值大于理論值,占92.31%;產(chǎn)量上,有10個(gè)組合實(shí)測(cè)值大于理論值,占76.92%,故混播可以一定程度上減少產(chǎn)量損失。而且,千粒重增加與產(chǎn)量增加不一致,故此效應(yīng)并非完全是通過(guò)增加千粒重實(shí)現(xiàn)的,還有其他因素的影響。

品種混播還會(huì)影響到條銹菌群體的變化[1415]。Mundt等[16]認(rèn)為混合品種對(duì)病原菌群體不具有定向選擇作用。李進(jìn)斌等[9]認(rèn)為小麥品種混栽能有效地減少單個(gè)葉片中的小種數(shù),并能顯著降低小麥條銹菌優(yōu)勢(shì)小種的出現(xiàn)頻率。這與本試驗(yàn)中4品種和5品種組合病害減輕的現(xiàn)象符合。多個(gè)抗病基因的存在能保持病原菌群體的穩(wěn)定性,減少優(yōu)勢(shì)種的出現(xiàn)。

今年甘肅氣候異常,發(fā)病前期氣溫較低,抑制了病害的擴(kuò)展,5月18日后,氣溫驟升,條銹病迅速發(fā)展,有的小區(qū)可能超過(guò)了其承載能力,致使混種群體完全喪失抗病性,這可能是某些小區(qū)防病效果較差的原因之一。

因試驗(yàn)材料所限,本試驗(yàn)的混播組合未能選用全組合,所選組合主要集中于2品種和3品種組合;本試驗(yàn)選用的品種沒(méi)有抗病組分,未研究抗感搭配對(duì)病害影響。這些研究尚需進(jìn)一步探索。

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(責(zé)任編輯：王 音)

Regulating effects against wheat stripe rust by the genetic diversity of wheat

Chen Weishuai, Gao Li, Liu Taiguo, Liu Bo, Chen Wanquan

(State Key Laboratory for the Biology of Plant Diseases and Insect Pests,Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)

To study the effects of different resistance genes in mixed groups on controlling wheat stripe rust,five cultivars of near-isogenic lines were chosen,each contains a resistance gene.The result showed that two cultivars mixture did not reduce the disease obviously,but three or more cultivars mixture could mostly reduce disease significantly.In addition,the REM value of four and five cultivars mixture showed that multi-species hybrid can reduce the occurrence of stripe rust.However,the control effect was not related to the number of genes completely,but the type of gene was also relevant.Different resistance genes select different physiologic races of stripe rust,which can explain the phenomena that the more resistance genes,the higher probability of disease mitigation,because lot of genes can suppress the occurrence frequency of dominant races.The thousand-seed weight of mix-cultivar was higher than that of the mono-cultivar.

wheat stripe rust; near-isogenic lines; mixed seeding; disease index; yield

S 435.121.42

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.06.034

2014-11-04

2015-03-31

國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB127701,2011CB100403);國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-03);北京市科技新星計(jì)劃(Z131105000413057)

*通信作者 E-mail：wqchen@ippcaas.cn;lgao@ippcaas.cn