小麥白粉病菌及其抗性基因研究進(jìn)展

范春捆

（西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)研究所，西藏拉薩 850032）

白粉?。‥rysiphe graminis D.C.f.sp.Tritici）是小麥的主要病害之一（Bennett FG A，1984），尤其在降雨量大的潮濕地區(qū)發(fā)病較重。小麥白粉病危害損失較大，嚴(yán)重時(shí)致使減產(chǎn)24.54%～35.95%，輕者減產(chǎn)7.69%～15.93%[1]。目前，防治小麥白粉病最有效的技術(shù)措施是培育抗病品種，這就促使有關(guān)科研工作者廣泛發(fā)掘種質(zhì)資源，拓寬小麥遺傳基礎(chǔ)，挖掘抗性基因。本文綜述了小麥白粉菌的形態(tài)特征與生物學(xué)特性、抗白粉病基因及其來源、小麥近緣物種中抗白粉病基因利用等方面的研究進(jìn)展，旨在為小麥白粉病的防治與研究提供借鑒。

1 小麥白粉菌形態(tài)特征和生物學(xué)特性

小麥白粉病，又稱禾本科布氏白粉菌小麥專化型（Blumeria graminis）。白粉菌主要寄生在小麥葉片、葉鞘、穎殼等表面，菌絲體以吸器攝取養(yǎng)分維持生長。吸器橢圓形，生有指狀分枝。分生孢子梗直立從菌絲體垂直生成，基部膨大成球形，不分枝，無色，頂端產(chǎn)生成串的分生孢子，約10～30個(gè)，自頂端向下依次成熟脫落。分生孢子橢圓形，單胞，無色，大小約25～30μm×8～10μm。閉囊殼球形，黑色，直徑為135～280μm，外有發(fā)育不全的絲狀附屬絲，閉囊殼內(nèi)含有9～30個(gè)子囊。子囊長圓形或卵形，內(nèi)含8或4個(gè)子囊孢子[2]。

小麥白粉菌以分生孢子或子囊孢子借氣流傳播，病菌接觸寄主表面，在適宜條件下先后長出初生芽管、附著包和侵入絲，進(jìn)而侵入葉片表皮細(xì)胞，生長為吸器，并在寄主體外長出菌絲，發(fā)育產(chǎn)生分生孢子梗和分生孢子。

在侵染過程中，分生孢子萌發(fā)對溫度、濕度、光照等條件要求范圍較寬，溫度為0.5～34℃，最適為10～17℃；濕度為0%～100%，濕度愈大萌發(fā)率愈高，分生孢子侵入寄主的濕度必須在65%以上，濕度愈大發(fā)病愈重；光照能促使分生孢子的形成，但紫外線有強(qiáng)烈的殺傷作用；分生孢子在pH 2.2～12.4的范圍內(nèi)都可以萌發(fā)，以pH 4.2～7.7最適[3]。

2 小麥抗白粉病基因及其來源

1930年，澳大利亞科學(xué)家Waterhouse首次報(bào)道了Thew小麥品種中擁有一對顯性抗白粉病基因，1950年 Sears，E.R利用缺體材料將 Pm1定位于7AL，之后許多國家研究人員對小麥抗白粉病基因遺傳特點(diǎn)和定位進(jìn)行深入研究。

截至目前，在小麥及其近緣種屬中發(fā)現(xiàn)80多個(gè)抗白粉病基因，正式命名的68個(gè)，分別位于40多個(gè)位點(diǎn)上，編號Pm1～Pm54。根據(jù)小麥抗白粉病基因來源植物種屬關(guān)系遠(yuǎn)近，可以分為普通小麥一、二、三級基因庫。小麥抗白粉病基因的一級基因庫包括普通小麥所有類型；二級基因庫包括四倍體栽培小麥（T.timopheevii，2n=28，AAGG）、高大山羊草（Ae.longissima，2n=14，SS）、擬斯卑爾脫山羊草（Ae.speltoides，2n=14，SS 或 BB）、二倍體粗山羊草（Ae.Tauschii， 2n=14，DD）等；三級基因庫包括除一、二級基因庫以外的植物種屬，如黑麥、偃麥草屬、冰草屬、簇毛麥、披堿草屬和新麥草等。

來源于一級基因庫的有49個(gè)已命名的抗白粉病主要基因，分別為 Pm1a、Pm1b、Pm1c（Pm18）、pm1d、Pm1e（Pm22）、 Pm2a、 Pm2b、 Pm3a、 Pm3b、Pm3c、Pm3d、Pm3e、Pm3f、Pm3g、Pm3h、Pm3i、Pm3j、Pm4a、Pm4b、Pm5a、Pm5b、Pm5c、Pm5d、Pm5e、Pm9、Pm10、 Pm11、 Pm14、 Pm15、 Pm16、 Pm23、 Pm24、Pm25、 Pm26、 Pm28、 Pm30、 Pm31、 Pm33、 Pm36、Pm38、 Pm39、 Pm41、 Pm42、 Pm44、 Pm45、 Pm46、Pm47、Pm50、Pm54。

來源于小麥第二級基因庫的抗白粉病基因有11 個(gè)，分別是 Pm2、Pm6、Pm12 、Pm13、Pm27、Pm37、Pm1d、Pm32、Pm19、Pm34、Pm35。

來源于小麥第三級基因庫的抗白粉病基因有8個(gè)，分別是 Pm7、Pm8、Pm17、Pm20、Pm21、Pm29、Pm40、Pm43、Pm 53。

未正式命名的抗白粉病基因13個(gè)：PmL962、PmAS846、 PmG16、PmHNK54、Pm2026、PmU、Mlm80、Mlhubel、Mlm2033、MlIW72、MlZecl、 MlIW170、Ml3D232。

3 小麥抗白粉病基因分子標(biāo)記

分子標(biāo)記技術(shù)由于準(zhǔn)確、高效、不受時(shí)間、空間限制等特點(diǎn)，在小麥育種、種質(zhì)資源鑒定等方面已廣泛應(yīng)用，其中PCR分子標(biāo)記能夠反映出DNA遺傳多樣性和生物種群內(nèi)及種群間基因組差異的特異性，協(xié)助遺傳資源的快速篩選，在小麥的抗病育種中應(yīng)用較多（李燦等，2015）。上世紀(jì)90年代初，基于分子標(biāo)記技術(shù)篩選小麥抗白粉病抗基因開始研究與應(yīng)用，迄今已經(jīng)對37個(gè)基因位點(diǎn)的54個(gè)基因進(jìn)行了標(biāo)記[4]。

分子標(biāo)記主要有簡單重復(fù)序列（Simple sequence repeats，SSR）標(biāo)記、限制片段長度多態(tài)性（Restriction fragment length polymorphisms， RFLP）標(biāo)記、表達(dá)序列標(biāo)簽（Expressed sequence tags，EST）標(biāo)記、擴(kuò)增片段長度多態(tài)性（Amplified fragment length polymorphisms， AFLP）標(biāo)記和原位雜交（In situ hybridization）等，本研究主要采用的是SSR標(biāo)記和原位雜交鑒定。

SSR標(biāo)記是一種以特異引物PCR為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記技術(shù)，是一類由1～6個(gè)核苷酸為重復(fù)單位組成的長達(dá)幾十個(gè)核苷酸的串聯(lián)重復(fù)序列。SSR標(biāo)記具有以下優(yōu)點(diǎn)：①數(shù)量豐富，覆蓋整個(gè)基因組，揭示多態(tài)性高；②具有多等位基因的特性，提供的信息量大；③以孟德爾方式遺傳，呈共顯性；④檢測方法簡單，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性好；已被廣泛應(yīng)用在物種遺傳多樣性分析、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位、分子標(biāo)記輔助選擇育種、種子純度及真?zhèn)舞b定等研究中。王黎明等以感病品種Chancellor與Pm2的近等基因系雜交獲得的分離群體為材料，利用SSR結(jié)合分離群體分組法篩選到與小麥抗白粉病基因Pm2緊密連鎖的分子標(biāo)記（王黎明，2011）。劉聯(lián)正利用SSR分子標(biāo)記對小麥品種WP6192攜帶的抗白粉病基因進(jìn)行了染色體定位和連鎖分析將白粉病基因PmWP6192定位于染色體2AL上（劉聯(lián)正，2012）。另外羅瑛皓等也利用SSR分子標(biāo)記將小麥抗白粉病基因Pm16定位于5BS染色體上（羅瑛皓，2003）。前人研究結(jié)果表明SSR等分子標(biāo)記在小麥抗病基因的定位和輔助選擇育種中有較大的應(yīng)用潛力。

原位雜交技術(shù)是分子遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)相結(jié)合而形成的一門交叉學(xué)科，是根據(jù)核酸分子堿基互補(bǔ)配對的原則。將特定生化物質(zhì)（如地高辛，同位素等）標(biāo)記的DNA探針與染色體上經(jīng)過變性的單鏈目標(biāo)DNA進(jìn)行雜交，形成專一的核酸雜交分子，經(jīng)相應(yīng)的檢測手段在顯微鏡下觀察探針與染色體上DNA互補(bǔ)位置。原位雜交根據(jù)探針的不同分為GISH（Genome in situ hybridization，GISH）和 FISH（Fluorescence in situ hybridization），前者是鑒定染色體，后者鑒定外緣染色質(zhì)。原位雜交技術(shù)可以在染色體上直觀地鑒定遺傳物質(zhì)中含有的外源種質(zhì)，所以廣泛應(yīng)用于生物學(xué)的許多領(lǐng)域，目前其在麥類作物的遺傳和育種研究中也發(fā)揮著重要的作用。首先，利用基因組原位雜交可鑒定麥類真假遠(yuǎn)緣雜種，目前已有小麥-黑麥雜種、大麥-黑麥雜種等的鑒定（張紅軍，2000）。第二，利用原位雜交可對麥類作物染色體中異源染色體進(jìn)行鑒定（馬漸新等，1997），第三，原位雜交技術(shù)可對染色體易位和交換進(jìn)行鑒定（王二明等，1997）。另外，原位雜交技術(shù)在小麥基因的定位，染色體同源性的鑒別和染色體的空間分布等研究也有很大的幫助（張紅軍等，2000）。

表1 小麥抗白粉病基因及其分子標(biāo)記[5-35]

續(xù)表1 Continued table 1基因 來源 位點(diǎn) 標(biāo)記 標(biāo)記類型 參考文獻(xiàn)7D Pm20 黑麥 6BS·6AL Pm21（Pm31） 簇毛麥 6VS·6AL OPH171900 RAPD Qi等（1996）Pm24 普通小麥 1DS XACA/CTA-407 AFLP Huang等（2000）Pm25 野生一粒小麥 1A OPAG4950 RAPD Shi等（1998）Pm26 野生二粒小麥 2BS Xwg516 RFLP Rong等（2000）Pm27 提莫菲維小麥 6B-6G Xpsr154、Xpsr371 RFLP Jarve等（2000）Pm28 普通小麥 1B Pm29 卵穗山羊草 7DL Xwg341、Xpsr129 RFLP Zeller等（2002）Pm30 野生二粒小麥 5BS Xgwm159 SSR Liu等（2002）Pm32 擬斯卑爾脫山羊草 1BL·1SS Pm33 波斯小麥 2BL Xwmc317 SSR Zhu等（2005）Pm34 粗山羊草 5DL Xbarc177-5D、Xbarc144 SSR Miranda等（2006）Pm35 方穗山羊草 5DL Xcfd26 SSR Miranda等（2007）Pm36 野生二粒小麥 5BL XP41M37、Xcfd7 AFLP、SSR Blanco等（2008）Pm37 提莫菲維小麥 7AL Xgwm332、Xwmc790 SSR Perugini等（2007）Pm38 普通小麥 7DS Xgwm1220、BJ280740 SSR、EST-STS Spielmeyer等（2008）Pm39 普通小麥 1BL Xwmc719、Xhbe248 SSR Lillemo等（2008）Pm40 中間偃麥草 7BS Xwmc335、Xgwm297 SSR Luo等（2009）Pm41 野生二粒小麥 3BL Xwmc687、BE489472 SSR、EST-STS Li等（2009）Pm42 野生二粒小麥 2BS Xgwm148、XcauG10、BF146221 SSR、SCAR、EST-STS Hua等（2009）Pm43 中間偃麥草 2DL Xwmc41、Xbarc11 SSR He等（2009）Pm44 普通小麥 3A Pm45 普通小麥 6DS Xmag6176 SSR、STS Ma等（2011）Pm46 普通小麥 5DS Xgwm205/Xmp510 SSR/EST-STS Gao等（2011）Pm47 普通小麥 7BS Xgwm46/BE606897 SSR/EST-STS Xiao等（2013）Pm50 普通小麥 2AL Xgwm294 SSR Mohler等（2013）Pm53 擬斯卑爾脫山羊草 5BL IWA6024/IWA2454 SNP Petersen等（2015）Pm54 普通小麥 6BL Xbarc134 SSR YuanfengHa等（2014）MlZecl Mlm80 Pm19 方穗山羊草Mohler et al.2015 Yao et al.2006 Mlm2033 一粒小麥 7AL Xmag2185/Xgwm344 STS/SSR Yao et al.2006 Mlhubel 斯卑爾脫小麥 2DL Xgwm265 SSR Peng et al.2014 PmU 烏拉爾圖小麥 7AL Xwmc273/Xpsp3003/Xcfa2040 SSR Qiu et al.2005 Pm2026 一粒小麥 5AL Xgwm126 SSR Xu et al.2008 Ml3D232 野生二粒小麥 5BL XRGA-6 RGA Zhang et al.2010 MlIW170 野生二粒小麥 2BS Xcau516 STS Liu et al.2012 MlIW72 野生二粒小麥 7AL Xmag2185 STS Ji et al.2008 PmG16 野生二粒小麥 7AL wPt-9217 DART David et al.2010 PmAS846 野生二粒小麥 5BL Xcfp I SSR Xue et al.2012 PmHNK54 普通小麥 2AL Xbarc5 SSR Xu et al.2011 PmL962 中間偃麥草野生二粒小麥一粒小麥2BL 7AL XE35M56-330 Xmag2185/Xgwm344 AFLP STS/SSR 2BS Xwmc314 SSR Shen et al.2015

4 小麥近緣物種中抗白粉病基因利用

在已發(fā)現(xiàn)的80多個(gè)小麥抗白粉病基因中，13個(gè)來源于小麥的近緣種屬，如 Pm7、Pm8、Pm17、Pm20來自黑麥，Pm12、Pm53來自擬斯卑爾脫山羊草、Pm29卵穗山羊草、Pm13來自高大山羊草、Pm19、Pm35來自方穗山羊草、Pm34粗山羊草、Pm21來自簇毛麥。在所有小麥抗白粉病基因中，來源于簇毛麥的Pm21已被許多研究證明是目前最有效的小麥抗白粉病基因，對白粉菌所有生理小種表現(xiàn)免疫，同時(shí)在遺傳背景不同的小麥中均表現(xiàn)穩(wěn)定。以此育種家們培育了許多含Pm21基因的小麥品種，如揚(yáng)麥18、揚(yáng)麥15、南農(nóng)9918、內(nèi)麥836、石麥14、綿麥185、綿麥37、貴農(nóng)775、貴農(nóng)001、安農(nóng)0841等。

但隨著小麥白粉病生理小種的變化，許多抗病基因已基本顯現(xiàn)不出抗性，如 Pm5、Pm7、Pm8、pm3a-f等，近年來在Pm21也有這樣的趨勢。曹世勤（2010）、趙紫慧（2013）等分別在甘肅、河北發(fā)現(xiàn)了對Pm21有毒性菌株，這表明病菌群體毒性與寄主抗病性有著較強(qiáng)的協(xié)同進(jìn)化能力（江崢，2014），單個(gè)抗病基因?qū)Π追劬叨鹊淖儺愋院苋菀讍适ё饔谩?/p>