山東魯西南麥區(qū)小麥抗赤霉病育種技術(shù)體系優(yōu)化

山東省單縣萊河鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心 蔡勇

前言

小麥赤霉病是由禾谷鐮刀菌引起的世界性小麥病害，也是我國小麥生產(chǎn)上的主要病害之一。由其引起的小麥赤霉病造成的產(chǎn)量損失和品質(zhì)下降，在我國麥區(qū)普遍發(fā)生。目前，世界各國對(duì)該病害的防治主要通過選育抗病品種來實(shí)現(xiàn)，但是由于小麥赤霉病致病菌譜廣，對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)影響大，且其抗性水平易受氣候條件影響等原因，導(dǎo)致目前生產(chǎn)上所使用的抗赤霉病品種抗性水平參差不齊。

為了加快小麥抗赤霉病育種進(jìn)程，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)小麥抗病育種提出了一系列技術(shù)體系和策略，取得了顯著成效。但是近幾年小麥赤霉病在山東的大面積發(fā)生，特別是濟(jì)麥22 等主栽品種在生產(chǎn)上的大面積應(yīng)用，導(dǎo)致對(duì)育種技術(shù)體系提出了新的要求。如何結(jié)合山東小麥生產(chǎn)特點(diǎn)和赤霉病發(fā)生特點(diǎn)，充分利用現(xiàn)有抗赤霉病遺傳資源和分子標(biāo)記技術(shù)，選育適宜當(dāng)?shù)厣a(chǎn)需求的優(yōu)質(zhì)、多抗、廣適、適宜機(jī)械化種植和機(jī)械收獲的品種和技術(shù)體系已成為育種工作者面臨的新課題。本研究結(jié)合山東省小麥生產(chǎn)特點(diǎn)和育種實(shí)際需求，通過多年來在山東省小麥赤霉病抗病育種工作中積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，從種質(zhì)資源選擇、遺傳材料構(gòu)建和抗原鑒定技術(shù)體系等方面開展了一系列優(yōu)化。

1 種質(zhì)資源的選擇

以山東小麥赤霉病發(fā)生情況和生產(chǎn)需求為導(dǎo)向，選擇優(yōu)質(zhì)、綜合抗性突出的小麥品種（系）作為育種材料，是提高抗赤霉病育種效率的重要措施。課題組根據(jù)對(duì)山東省小麥赤霉病發(fā)生特點(diǎn)的分析，確定了山東省小麥赤霉病育種目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)明確了研究內(nèi)容。針對(duì)山東小麥赤霉病發(fā)生特點(diǎn)，本研究以優(yōu)質(zhì)、綜合抗性突出的濟(jì)麥22、魯麥21 和魯麥23 等為親本，利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，對(duì)篩選到的優(yōu)質(zhì)、綜合抗性突出的材料進(jìn)行構(gòu)建，通過與抗病親本進(jìn)行雜交、回交和自交，構(gòu)建了一套具有較強(qiáng)抗原基礎(chǔ)的抗病群體。并利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)對(duì)篩選到的抗病材料進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，結(jié)合多基因聚合方法，構(gòu)建了一套抗赤霉病遺傳材料。采用抗原與抗病基因聚合技術(shù)進(jìn)行了抗性鑒定和遺傳分析。濟(jì)麥22 綜合抗性突出、產(chǎn)量高；魯麥21 綜合抗性中等；魯麥23 綜合抗性差，但產(chǎn)量較高。與親本相比，該套材料在赤霉病抗性方面具有較大優(yōu)勢，并且在產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和千粒重方面也有較大的改善。這與該套抗原材料優(yōu)質(zhì)、綜合抗性突出、產(chǎn)量較高、抗病性與耐病性優(yōu)良有關(guān)。該套抗原材料對(duì)赤霉病均具有良好的抗性，其中對(duì)赤霉病抗性表現(xiàn)較好的材料包括濟(jì)麥22 和魯麥21。結(jié)合上述分析結(jié)果可知，該套抗原材料具有很好的應(yīng)用價(jià)值和良好的推廣前景。通過分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，篩選到的抗病材料表現(xiàn)優(yōu)異。綜合考慮品種品質(zhì)、抗病性、產(chǎn)量、抗性等因素，該套抗原材料在山東小麥赤霉病抗性育種中具有較好的應(yīng)用前景[1]。

2 抗原材料的構(gòu)建

在山東小麥抗赤霉病育種中，抗病、優(yōu)質(zhì)和綜合抗性是育種的重要目標(biāo)。綜合抗性是指同時(shí)具備多個(gè)優(yōu)良性狀的小麥品種，其綜合抗性主要受基因型影響，優(yōu)質(zhì)則主要受環(huán)境影響。因此，在構(gòu)建抗赤霉病遺傳材料時(shí)，應(yīng)盡可能選擇綜合性狀優(yōu)良的品種。課題組采用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)構(gòu)建了一批小麥抗赤霉病遺傳材料，其中包括含有豐富抗赤霉病基因的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥品種（系）和抗病優(yōu)質(zhì)小麥品種（系），如濟(jì)麥22、煙農(nóng)19、煙農(nóng)15、煙農(nóng)22-9、魯麥21-1 和濟(jì)麥22 等。利用這些抗原材料與高產(chǎn)品種（系）雜交，對(duì)其后代進(jìn)行抗原鑒定，發(fā)現(xiàn)多數(shù)抗赤霉病的單株與高產(chǎn)品種（系）雜交后代具有較好的組合效應(yīng)。此外，采用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)構(gòu)建的抗赤霉病遺傳材料也表現(xiàn)出較好的綜合抗性。

利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)構(gòu)建的抗源材料在抗病性鑒定中表現(xiàn)出較高的鑒定準(zhǔn)確率。在多個(gè)親本的雜交組合中，分子標(biāo)記輔助選擇獲得了具有高抗赤霉病等性狀的基因型材料，如中麥569、濟(jì)麥22、中麥895、魯麥21-1、煙農(nóng)19 和煙農(nóng)20 等。分子標(biāo)記輔助選擇在構(gòu)建抗赤霉病遺傳材料中得到了廣泛應(yīng)用，如用含抗病基因煙農(nóng)19/中麥569 雜交組合F1 代構(gòu)建了高抗赤霉病的優(yōu)良單株。利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在供試材料中獲得了幾個(gè)與主效基因相連鎖的分子標(biāo)記。通過分析這些與主效基因連鎖的分子標(biāo)記，可以對(duì)育種材料進(jìn)行快速鑒定。此外，利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)構(gòu)建的抗源材料在產(chǎn)量和品質(zhì)性狀上表現(xiàn)良好，其中煙農(nóng)22、濟(jì)麥22 和煙農(nóng)21-9 等產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀優(yōu)異。

3 小麥抗赤霉病分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)體系

近年來，隨著分子標(biāo)記技術(shù)的不斷發(fā)展，分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）已成為小麥抗赤霉病育種的重要手段。利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)供試材料進(jìn)行遺傳背景分析和檢測，有利于有效提高抗病基因的選擇效率。本研究通過分析山東省小麥品種赤霉病抗性水平和遺傳背景，構(gòu)建了一套與小麥抗赤霉病育種相適應(yīng)的分子標(biāo)記輔助選擇體系。該體系主要由3 部分構(gòu)成：一是檢測抗性相關(guān)基因；二是分析抗性遺傳背景；三是檢測抗性基因的效應(yīng)。

第一部分采用基于聚合方法的分子標(biāo)記輔助選擇，檢測到一個(gè)主效抗赤霉病基因（Zmfh1），結(jié)合其在栽培小麥中的頻率和位于2B 染色體上的區(qū)間內(nèi)標(biāo)記（KASP），對(duì)小麥抗赤霉病育種材料進(jìn)行了分子標(biāo)記輔助選擇。結(jié)果表明：該抗性基因在2B 染色體上分布比較廣泛，結(jié)合其在栽培小麥中的頻率和位于2B 染色體上的區(qū)間內(nèi)標(biāo)記（KASP），可以快速準(zhǔn)確地篩選到抗赤霉病抗性較強(qiáng)的材料。

第二部分利用分子標(biāo)記輔助選擇體系，分析抗性相關(guān)基因在栽培小麥中的分布和頻率，發(fā)現(xiàn)抗性相關(guān)基因Zmfh1 和KASP 在栽培小麥中廣泛分布，在抗病親本中出現(xiàn)的頻率均高于感病親本。利用KASP 分子標(biāo)記對(duì)該抗性基因進(jìn)行檢測，可以快速準(zhǔn)確地篩選到抗性較強(qiáng)的材料[2]。

第三部分采用分子標(biāo)記輔助選擇體系結(jié)合表型鑒定方法，對(duì)小麥抗赤霉病材料進(jìn)行篩選和鑒定，獲得一批抗赤霉病抗性較好的材料。

在本研究中，小麥赤霉病抗性由3 個(gè)主效基因控制。該體系包括以下幾個(gè)部分：（1）在室內(nèi)用KASP 分子標(biāo)記對(duì)3 個(gè)基因進(jìn)行檢測，如果KASP 分子標(biāo)記檢測到抗赤霉病基因Zmfh1，則抗性基因Zmfh1 將被選擇；否則，抗性基因Zmfh1 不能被選擇。實(shí)驗(yàn)中選用了兩個(gè)KASP 分子標(biāo)記對(duì)這3 個(gè)基因進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，抗性基因Zmfh1 和抗感基因Zmfh1 均在抗病親本中被檢測到。（2）在田間用分子標(biāo)記對(duì)3 個(gè)基因的效應(yīng)進(jìn)行檢測。利用小麥赤霉病抗性品種Laminaryz、濟(jì)麥22 和周麥18 的F1 代對(duì)3 個(gè)基因的效應(yīng)進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，這3 個(gè)抗赤霉病抗性材料與感病親本相比，其赤霉病抗性明顯增強(qiáng)。（3）利用田間表現(xiàn)選擇抗赤霉病材料。田間表現(xiàn)選擇抗赤霉病材料是提高抗赤霉病育種效率的關(guān)鍵，根據(jù)品種的不同，選擇的標(biāo)準(zhǔn)也不同。本研究以感病親本Laminaryz 為材料，對(duì)其進(jìn)行田間表現(xiàn)選擇，結(jié)果表明：在室內(nèi)用KASP 分子標(biāo)記對(duì)3個(gè)基因的效應(yīng)進(jìn)行檢測后，不能有效地對(duì)其進(jìn)行選擇。因此，在田間采用KASP 分子標(biāo)記對(duì)3 個(gè)基因進(jìn)行選擇時(shí)，可以將室內(nèi)檢測結(jié)果作為選擇標(biāo)準(zhǔn)。利用田間表現(xiàn)篩選抗赤霉病材料，可有效避免室內(nèi)檢測結(jié)果作為選擇標(biāo)準(zhǔn)帶來的缺陷。

4 抗赤霉病育種技術(shù)體系的進(jìn)一步優(yōu)化

本研究針對(duì)山東魯西南麥區(qū)赤霉病發(fā)生特點(diǎn)和生產(chǎn)需求，以赤霉病抗性相關(guān)基因（GKCGR1、GKCGR2 4 6 和GKCGR9）為基礎(chǔ)，選擇優(yōu)質(zhì)抗病、綜合抗性突出的材料進(jìn)行構(gòu)建，利用多基因聚合和分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)，構(gòu)建抗原鑒定技術(shù)體系。在此基礎(chǔ)上，利用多基因聚合技術(shù)，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)，構(gòu)建抗原材料。為進(jìn)一步提高育種效率和育種水平，針對(duì)與赤霉病抗性相關(guān)的重要經(jīng)濟(jì)性狀和農(nóng)藝性狀進(jìn)行鑒定，以進(jìn)一步了解目標(biāo)性狀對(duì)赤霉病抗性的貢獻(xiàn)程度。

在進(jìn)行抗原鑒定時(shí)，采用山東魯西南麥區(qū)赤霉病田間自然發(fā)病和人工接種鑒定相結(jié)合的方法。在對(duì)小麥赤霉病抗性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，主要采用田間自然發(fā)病鑒定法。自然發(fā)病鑒定是根據(jù)自然發(fā)病情況對(duì)小麥品種的赤霉病抗性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；人工接種鑒定是根據(jù)人工接種后觀察植株的抗病性狀態(tài)，并結(jié)合田間表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)時(shí)還應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)，如穗粒數(shù)、千粒重。這樣能準(zhǔn)確地反映目標(biāo)性狀對(duì)赤霉病抗性的貢獻(xiàn)程度，更好地發(fā)揮育種目標(biāo)的作用[3]。

4.1 不同來源的抗赤霉病材料的篩選

在進(jìn)行抗性評(píng)價(jià)時(shí)，采用自然發(fā)病鑒定法，根據(jù)田間自然發(fā)病情況，對(duì)不同來源的抗源材料進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過對(duì)不同來源的抗源材料進(jìn)行比較，篩選出抗性較好、綜合性狀較優(yōu)的材料。本研究中構(gòu)建的小麥抗赤霉病育種技術(shù)體系，是以已知抗赤霉病基因?yàn)榛A(chǔ)，將多個(gè)抗赤霉病基因聚合到一起，從而獲得含有多個(gè)抗赤霉病基因的抗源材料。這不僅為抗赤霉病育種提供了新的基因來源，而且還可以通過聚合不同類型的抗病基因，實(shí)現(xiàn)不同抗性基因間的自由組合，從而獲得更多、更豐富的抗性品種。利用多基因聚合技術(shù)結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)，可以將抗性較好、綜合性狀較優(yōu)的材料導(dǎo)入到親本中去，實(shí)現(xiàn)抗赤霉病育種。

4.2 不同鑒定方法的應(yīng)用

在進(jìn)行抗赤霉病育種時(shí)，不同的抗源鑒定方法各有利弊。田間自然發(fā)病鑒定法能夠快速、準(zhǔn)確地了解小麥的赤霉病抗性狀態(tài)，但是這種方法要求比較嚴(yán)格，需要人工接種后及時(shí)觀察植株的生長狀態(tài)，否則可能會(huì)造成接種不均勻、植株長勢不一致等問題，導(dǎo)致鑒定結(jié)果不準(zhǔn)確。人工接種鑒定法能夠準(zhǔn)確反映小麥的抗性水平，但是由于人工接種后植株會(huì)出現(xiàn)矮化或倒伏等不良現(xiàn)象，也會(huì)影響抗性鑒定的準(zhǔn)確性。因此，在進(jìn)行赤霉病抗原篩選時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的育種目標(biāo)和不同的性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇合適的鑒定方法。本研究通過對(duì)山東魯西南麥區(qū)赤霉病抗原鑒定技術(shù)體系的優(yōu)化與完善，篩選出一批綜合抗性突出、農(nóng)藝性狀優(yōu)良的小麥抗原材料，構(gòu)建了以赤霉病抗性相關(guān)基因?yàn)榛A(chǔ)、以多基因聚合和分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)為手段的抗赤霉病育種體系。

4.3 鑒定評(píng)價(jià)方法的選擇

田間自然發(fā)病鑒定法：該方法是利用田間自然發(fā)生的小麥赤霉病癥狀，經(jīng)過人工接種鑒定，將結(jié)果與抗性相結(jié)合，分析抗性基因的遺傳規(guī)律和差異，從而判斷小麥品種的抗性強(qiáng)弱。該方法簡單易行，但因不能區(qū)分同一抗性基因不同遺傳背景的差異，其結(jié)果僅能提供抗、感等方面的信息，不能提供品種間和品種內(nèi)抗病性差異的信息。人工接種鑒定法：該方法是利用人工接種物誘導(dǎo)小麥產(chǎn)生病菌孢子，然后觀察小麥的抗病性狀態(tài)。該方法對(duì)鑒定材料和環(huán)境要求較高，且需要人工接種并進(jìn)行觀察記載，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。該方法雖然能夠反映抗性基因?qū)Σ『剐缘呢暙I(xiàn)程度，但由于受接種材料和環(huán)境條件等因素的影響較大，不能準(zhǔn)確反映抗、感等方面的信息。

自然發(fā)病鑒定法：該方法是根據(jù)田間自然發(fā)生情況對(duì)小麥品種進(jìn)行抗性評(píng)價(jià)。該方法簡單易行，但受氣象條件和病菌孢子發(fā)生情況影響較大。在正常氣候條件下，由于受氣溫、降雨、濕度等因素影響小，其結(jié)果更接近于真實(shí)情況；而在陰雨、多霧和高濕度條件下鑒定結(jié)果則可能與真實(shí)情況差距較大。因此，在自然發(fā)病鑒定法中不能僅用某一個(gè)因素作為評(píng)價(jià)依據(jù)，還需要綜合考慮氣象條件、病菌孢子發(fā)生情況和小麥品種本身的抗病性狀態(tài)等因素。

5 結(jié)語

本研究針對(duì)當(dāng)前小麥抗赤霉病育種技術(shù)體系不夠完善、分子標(biāo)記輔助選擇效率不高等問題，通過對(duì)小麥抗赤霉病育種技術(shù)體系的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了抗赤霉病育種進(jìn)程的加快和育種效果的提高。首先，在種質(zhì)資源的選擇方面，根據(jù)山東小麥赤霉病發(fā)生特點(diǎn)和生產(chǎn)需求，利用高抗病材料和綜合抗性材料進(jìn)行構(gòu)建，構(gòu)建了一套較完整的抗赤霉病遺傳材料體系；其次，利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)提高了分子標(biāo)記輔助選擇效率；再次，建立了一套系統(tǒng)、全面、快速的抗原鑒定技術(shù)體系；最后，為提高育種效率和效果，通過多基因聚合技術(shù)構(gòu)建了一批小麥抗赤霉病新種質(zhì)。上述優(yōu)化措施為解決當(dāng)前小麥赤霉病育種中存在的問題提供了科學(xué)依據(jù)，隨著小麥抗赤霉病育種進(jìn)程的加快和分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的不斷完善，將有望為小麥抗赤霉病育種提供更多、更有效、更直接的選擇材料。