小麥抗白粉病基因資源研究進(jìn)展及江蘇淮北地區(qū)育種利用策略

侯富 李海軍 李菁 李麗麗 王永軍 潘麗媛 孫蘇陽

摘 要：白粉病是小麥的主要病害之一，由于發(fā)病范圍廣、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)小麥安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。小麥白粉菌為專性寄生真菌，生理小種變異速率較快，單一抗性基因面臨喪失抗性的風(fēng)險(xiǎn)，分子標(biāo)記輔助聚合育種將多個(gè)抗性基因聚合在一起，增加小麥整體抗性。該文綜述了小麥白粉病研究概況、致病機(jī)理、基因來源和定位克隆，以及江蘇淮北麥區(qū)育種策略，為抗白粉病小麥品種的選育與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：小麥白粉病;分子標(biāo)記;聚合育種

中圖分類號(hào) S435文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）22-0042-04

小麥白粉病是由禾本科布氏白粉病菌引起的氣傳性真菌病害，世界各主要麥產(chǎn)區(qū)均有白粉病發(fā)生，產(chǎn)量損失2%～5%;而在發(fā)生較為嚴(yán)重的歐美地區(qū)，白粉病可造成小麥產(chǎn)量減產(chǎn)達(dá)20%[1]。中國(guó)小麥栽培遍布全國(guó)，白粉病幾乎在所有麥區(qū)都有發(fā)生，全生育期都可侵染，對(duì)我國(guó)小麥的生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。白粉病干擾小麥葉片、莖稈、穗部等器官的光合作用，影響小麥生長(zhǎng)、抽穗、灌漿及最終加工品質(zhì)。當(dāng)天氣有利菌絲體出現(xiàn)在旗葉出苗或者抽穗期，糧食產(chǎn)量損失高達(dá)40%[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，江蘇省小麥種植面積在240萬hm 2左右，2014—2019年平均產(chǎn)量占全省糧食作物產(chǎn)量的35.41%，僅次于水稻（53.19%）[4]，其中淮北地區(qū)小麥約占總面積的2/3，是江蘇省小麥主產(chǎn)區(qū)和高產(chǎn)區(qū)。本文綜述了小麥白粉病的研究概況，以期為江蘇淮北麥區(qū)白粉病抗性育種提供理論參考。

1 小麥白粉病概況及致病機(jī)理

1.1 形態(tài)及分類 比利時(shí)的Marchal E.教授1903年從禾谷白粉菌分離出專門侵染小麥的白粉菌病，禾本科布氏白粉菌-小麥?；桶追劬鷮儆谧幽揖鷣嗛T真菌，菌絲體表寄生，附著于寄主表面，在寄主表皮細(xì)胞聚集吸收寄主營(yíng)養(yǎng)，從而影響寄主的生長(zhǎng)[5]。張怡等[6]使用掃描電鏡觀察小麥白粉菌，每個(gè)分生孢子梗端有3～10個(gè)橢圓形、單孢、長(zhǎng)度約22.2μm、寬度為12.5μm串生的分生孢子，分生孢子梗則是垂直于菌絲體。

1.2 發(fā)病及危害 小麥白粉病侵害小麥植株地上部分，以葉片及葉鞘為主，莖稈和穗部也有發(fā)病。發(fā)病起始為黃色小點(diǎn)，病情繼續(xù)加重時(shí)形成圓形或橢圓形病斑，初期會(huì)出現(xiàn)白粉霉層，到達(dá)中后期白灰色逐漸變成淺褐色，并產(chǎn)生閉囊殼[7]。小麥發(fā)病后病葉早枯發(fā)黃，當(dāng)蔓延至莖和葉鞘時(shí)，會(huì)導(dǎo)致植株倒伏;感病后的植株蒸騰及呼吸作用會(huì)增強(qiáng)，光合作用效率降低，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累減少，最終影響小麥產(chǎn)量。

1.3 致病機(jī)理及防治 小麥白粉病菌子囊孢子或分生孢子可借助氣流傳播，分生孢子具有壽命短暫且不耐高溫等特點(diǎn)，只能附著在閉囊殼或次生麥苗上順利越夏，越冬主要有兩種形式：一是以分生孢子的形態(tài);二是以菌絲體潛伏在宿主體內(nèi)[8]。小麥拔節(jié)期開始發(fā)病，抽穗至灌漿時(shí)達(dá)到峰值，最終在乳熟期停止。從植株的下部開始發(fā)病，繼續(xù)以水平方向擴(kuò)散，后向上部蔓延[7]。化學(xué)防治主要為藥劑拌種及田間施藥，適當(dāng)?shù)奶镩g輔助管理，小麥?zhǔn)崭詈箸P除田間次生麥苗，通過合理密植來降低田間濕度，合理施用氮肥，適當(dāng)增加施用磷鉀肥和有機(jī)肥，提高植株抗病性。目前審定品種多數(shù)都不抗白粉病，這也成為小麥白粉病頻發(fā)的原因，小麥抗白粉病品種的選育已成為最為經(jīng)濟(jì)、安全的措施[9]。

2 小麥白粉病的抗性研究及應(yīng)用

2.1 小麥抗性基因的來源及定位 1930年首次報(bào)道了小麥Thew的抗白粉病基因，后續(xù)在普通小麥及其近緣種屬中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)抗性相關(guān)基因[10]。目前為止已有68個(gè)基因被命名（Pm1～Pm68），7個(gè)基因含有多個(gè)抗性位點(diǎn)Pm1、Pm2、Pm3、Pm4、Pm5、Pm8和Pm24，分別位于7A、5D、1A、4A、7B、1R和1D染色體上;8個(gè)新被挖掘的抗性基因Pm59、Pm58、Pm57、Pm56、Pm55、Pm62、Pm61、Pm60被分別成功定位于7AL、2DS、2S、6RS、T5VS·5AL、2VL、4AL染色體上[11]。小麥抗白粉病基因廣泛分布在除3D和4D染色體外的染色體上（表1），主要來源普通小麥族及其近緣種屬：小麥近緣種、普通小麥和小麥近緣屬。在小麥近緣種屬中簇毛麥的基因抗性較好，目前抗譜最廣的白粉病抗性基因Pm21的抗病性在不同遺傳背景下均能遺傳[12]，由于抗性基因來源不同，抗性也有差異。

2.2 小麥白粉病基因的克隆 隨著現(xiàn)代生物技術(shù)及分子生物學(xué)的發(fā)展，新技術(shù)及方法被運(yùn)用到植物基因克隆，部分小麥白粉病抗性基因被相繼克隆。Pm21編碼1個(gè)典型的CC-NBS-LRR蛋白[13];Pm60白粉病抗性位點(diǎn)定位到1個(gè)356kb的區(qū)域，包含2個(gè)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)和富含亮氨酸的重復(fù)結(jié)構(gòu)域的（NB-LRR））蛋白質(zhì)編碼基因[14];Pm24基因編碼WTK3蛋白基因含有6bp缺失，首次發(fā)現(xiàn)兩個(gè)激酶結(jié)構(gòu)域串聯(lián)具有白粉病抗病功能[15];Pm5e編碼1個(gè)核苷酸結(jié)合域富含亮氨酸重復(fù)序列（NLR）蛋白，NLR基因G-A單核苷酸變（SNV）賦予Pm5e抗性[16];利用基因組BAC構(gòu)建物理圖譜和圖位克隆，Pm41編碼核苷酸結(jié)合位點(diǎn)和富含亮氨酸重復(fù)蛋白（CNL）[17]。通過基因定位，如有連鎖群相應(yīng)的區(qū)段，相應(yīng)的克隆成功率會(huì)大大提高。

3 淮北麥區(qū)育種策略

江蘇淮北地區(qū)是江蘇省小麥高產(chǎn)區(qū)，常發(fā)性病害主要有小麥白粉病、葉銹病等，但因防治效果好未造成大的危害。據(jù)調(diào)查，2010年為江蘇淮北地區(qū)小麥赤霉病大發(fā)生年[18]，給防治工作造成了較大的壓力，為了避免病害的大暴發(fā)，優(yōu)質(zhì)抗病品種將會(huì)發(fā)揮重要作用。引起單個(gè)抗性基因抗性喪失是由于新的小麥白粉病生理小種克服對(duì)應(yīng)的抗性基因。常規(guī)育種年限較長(zhǎng)，導(dǎo)致小種?；剐栽谟N上利用難度較大。結(jié)合分子輔助育種，選育和推廣含抗譜較廣的單個(gè)基因或者聚合多個(gè)抗病基因品種是大面積生產(chǎn)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，對(duì)抗逆育種仍具有重要意義。

3.1 創(chuàng)新利用新種質(zhì)資源 種質(zhì)是生物體由親代傳遞到子代的遺傳物質(zhì)，基因支持著生命的基本構(gòu)造和性能，種質(zhì)資源存在于作物各類品種、品系、野生種及近緣植物中，廣泛運(yùn)用于農(nóng)作物的改良[19]。在小麥主產(chǎn)區(qū)，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要不利影響因素為綜合抗病性差，尤其白粉病、銹病等病害的發(fā)生。來自黑麥1RS的抗病基因的喪失，導(dǎo)致小麥白粉及條銹在全國(guó)范圍內(nèi)流行，追溯原因?yàn)榭共』蛸Y源單一[20]。參加國(guó)家和省區(qū)試的小麥整體抗性較差，存在病害流行的風(fēng)險(xiǎn)[21]。小麥育種因此迫切需要?jiǎng)?chuàng)制新的抗病種質(zhì)資源，擴(kuò)寬抗病基因的多樣性，才能改變遺傳抗原單一的現(xiàn)狀。目前，小麥-簇毛麥種質(zhì)創(chuàng)新，相繼發(fā)現(xiàn)了Pm21、Pm55、Pm62、Pm67抗白粉病基因[22]，為后續(xù)育種應(yīng)用提供新種質(zhì)資源。

3.2 誘變、輻射育種 小麥輻射誘變育種是小麥種質(zhì)資源創(chuàng)新及優(yōu)良品種選育的有效途徑，從育種技術(shù)來看，誘變、輻射機(jī)理，有益突變頻率較低及突變方向難以把握問題給目前育種工作帶來了較大的盲目性[23]。大多育種工作者用輻射與常規(guī)雜交相結(jié)合，擴(kuò)大了變異譜，增加有益突變率，創(chuàng)造出了大量不同類型的優(yōu)良中間材料，大大提高了育種效率[24]。輻射及誘變的基礎(chǔ)研究進(jìn)一步深入，結(jié)合常規(guī)育種也將成為作物新品種選育的重要途經(jīng)。

3.3 分子標(biāo)記輔助選擇基因聚合分子育種 分子標(biāo)記輔助選擇是從分子水平分析遺傳組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因型的選擇。常規(guī)育種聚合優(yōu)良基因，選育周期較為漫長(zhǎng)，將常規(guī)育種與分子標(biāo)記相結(jié)合運(yùn)用到多基因聚合育種，越來越引起育種工作者的重視，多個(gè)抗性基因聚合到同一植株，以此來達(dá)到提高持久抗性的目的[25]。分子標(biāo)記與目標(biāo)性狀共分離或者緊密連鎖，建立篩選群體，具有技術(shù)可重復(fù)、簡(jiǎn)便低耗、安全高效的特點(diǎn)[26]。小麥白粉病抗性基因中，Pm12、Pm13、Pm16、Pm20、Pm21、Pm30還表現(xiàn)較高抗病性，由于病原菌生理小種的變異，Pm1、Pm2、Pm3（Pm3a，Pm3c，Pm3f）、Pm4（Pm4b）、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8 等單個(gè)基因應(yīng)用品種逐漸喪失抗性，但將它們聚合在一起利用仍可表現(xiàn)出較好的抗病性[27]。張?jiān)銎G[28]利用小麥抗白粉病基因Pm4、Pm13、Pm21的特異擴(kuò)增，成功選育出聚合Pm4b+Pm21+Pm13、Pm4b+Pm13、Pm13+Pm21、Pm4b+Pm21基因組合的抗病新材料;王心宇等[29]獲得了聚合基因型Pm8+Pm21、Pm2+Pm4b、Pm4a+Pm21的抗白粉病植株。將相關(guān)基因聚合后，白粉病的抗性得到提高，也充分說明分子標(biāo)記輔助聚合育種能夠提高白粉病抗性，將成為抗病育種的重要方向。

4 討論

由于白粉病病原菌生理小種的不斷變異，若抗性基因抗譜基礎(chǔ)狹窄，就難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的生理小種?？棺V最為廣泛的Pm21應(yīng)用已接近20年[30]，在河北省和甘肅省多地出現(xiàn)了對(duì)Pm21有毒性的白粉病株，抗病基因單一將面對(duì)喪失抗性的風(fēng)險(xiǎn)[31-32]。劉志勇等[33]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)小麥主推品種中抗白粉病基因遺傳多樣性狹窄，主要為Pm2、Pm4b、Pm21和Pm52等少數(shù)幾個(gè)抗白粉病基因，面臨極大的喪失抗性風(fēng)險(xiǎn);許多具有優(yōu)異抗性的抗白粉病基因如Pm5e、Pm12、Pm24、Pm26和Pm36等還未能得到有效的利用。小麥的近緣屬可以作為小麥白粉病育種的有效育種資源，將含有Pm55與Pm67的遺傳材料通過雜交聚合，得到全生育期抗白粉病材料[22]。利用分子育種元件創(chuàng)新選育了高產(chǎn)多抗優(yōu)質(zhì)新品系揚(yáng)14214，兼抗赤霉病、白粉病、條銹病和葉銹病等4種病害[34]。

長(zhǎng)江流域培育的品種抗病性較強(qiáng)，黃淮麥區(qū)和北方冬麥區(qū)參試品種也部分抗病，該麥區(qū)多為干旱地區(qū)，白粉病危害不嚴(yán)重，不同生態(tài)區(qū)域抗白粉病品種的頻率與其發(fā)病程度和育種家選種目標(biāo)有密切關(guān)系[35]。江蘇淮北地區(qū)氣候條件復(fù)雜，蘇北灌溉總渠一線為中國(guó)暖溫帶和亞熱帶的分界線，同時(shí)沿海城市氣候受海洋影響較大。近幾年暖冬的常態(tài)化，尤其2019—2020年冬季氣溫過高，影響小麥生長(zhǎng)較為明顯，表現(xiàn)在植株增高，秋播過后積溫高，小麥出葉速度快，小麥主莖葉片較往年增多[36]，土壤濕度較大，有助于白粉病菌越冬，為小麥白粉病發(fā)生創(chuàng)造了自然條件。針對(duì)江蘇淮北地區(qū)生態(tài)氣候特點(diǎn)，選擇黃淮冬麥區(qū)和北方冬麥區(qū)如河北，山東，河南省份推廣品種進(jìn)行研究，挖掘抗白粉病較好的種質(zhì)資源作為雜交組合的親本選擇已取得不錯(cuò)的成效。延榮等[37]對(duì)河北資源與品種抗白粉病分子標(biāo)記檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，石麥14號(hào)、龍麥808、金禾9123含有抗譜較廣的Pm21基因。劉漢良等[38]對(duì)山東省1998—2008小麥育成品種進(jìn)行分析，抗白粉?。ㄖ锌怪撩庖撸┑钠贩N有濟(jì)麥22、良星99等16個(gè)。劉理森等[39]研究表明，濟(jì)麥22和良星99含有Pm2，國(guó)麥301含有Pm21，對(duì)于E09和E20均表現(xiàn)免疫，推測(cè)可能因其系譜含有G883簇毛麥血統(tǒng)。鄒景偉等[40]鑒定123份小麥的白粉菌菌株抗性，良星99抗80%的菌株，良星99含抗白粉病基因Pm52和Pm2，農(nóng)大1108含有Pm2僅對(duì)E09表現(xiàn)抗性[39]，由此可見單一的Pm2基因廣譜抗性較差，聚合Pm2與Pm52基因增加了小麥廣譜抗性。因此，小麥白粉病抗病基因單一化，可能面對(duì)較大威脅，新抗性基因發(fā)現(xiàn)及利用，多個(gè)抗性基因聚合育種都將對(duì)育種工作具有重要意義。

黃淮冬麥區(qū)含有Pm21的推廣品種較少，可能因?yàn)?VS整臂易位附帶連鎖不良的農(nóng)藝性狀。黃淮冬麥區(qū)避免大面積使用一個(gè)抗性基因，可以考慮多個(gè)基因聚合選育。另外新基因的有效利用可以借助常規(guī)育種實(shí)驗(yàn)室加代，小麥-玉米單倍體育種快速提純，加快優(yōu)異抗性基因運(yùn)用到生產(chǎn)。利用分子標(biāo)記選育小麥新品種具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是隨著時(shí)間的推移，一些生理小種出現(xiàn)了變異導(dǎo)致部分標(biāo)記失效[41]。另外，部分育種家的一些遺傳材料高度保密不共享，有意義的種質(zhì)資源不能盡快地評(píng)價(jià)和利用[42]。因此，需要積極建立地方種質(zhì)資源庫，開展種質(zhì)資源調(diào)查，保存地方品種，豐富抗性育種資源;要加強(qiáng)育種單位與高校合作，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)新的育種新材料能夠更快速地運(yùn)用于生產(chǎn)上。

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（責(zé)編：張宏民）