南陽麥區(qū)小麥品種(系)條銹抗性及抗病基因分析

楊 輝, 簡俊濤, 王清華, 劉 駿, 李玉鵬, 張 彬, 張闖闖, 楊 媛, 謝彥周

(1.南陽市科學院, 河南 南陽 473000; 2.焦作市農(nóng)林科學研究院, 河南 焦作 454002;3.南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學院, 河南 南陽 473000;4.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院/旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

小麥條銹病是由小麥條銹菌引起的氣傳病害,是世界小麥生產(chǎn)的一種重要病害,一般造成10%～30%的產(chǎn)量損失,嚴重時可造成絕收[1]。南陽盆地是我國小麥條銹病重要的冬繁與流行區(qū)之一,是黃淮麥區(qū)及長江中下游麥區(qū)條銹病春季流行重要的菌源輸出地。降低冬繁區(qū)的菌源量,調(diào)控條銹毒性菌源結(jié)構(gòu),對小麥銹病綜合治理意義重大。南陽麥區(qū)占據(jù)南陽盆地大部,常年小麥種植面積67萬hm2左右,總產(chǎn)量占河南總產(chǎn)的10%,對保障河南乃至全國的糧食安全至關(guān)重要。南陽麥區(qū)處于長江中下游麥區(qū)與黃淮麥區(qū)交接處[2-3],氣候獨特,常年病害較重,是陜西東部小麥條銹菌冬繁區(qū)與黃淮麥區(qū)交接處,是鄂北條銹菌冬繁區(qū)與長江中下游麥區(qū)交接處,是條銹菌重要的冬繁區(qū)和流行區(qū)。1990年南陽麥區(qū)小麥銹病大爆發(fā),造成本地19.7萬hm2小麥受災嚴重,波及豫中北乃至華北麥區(qū),給全國小麥生產(chǎn)造成重大損失。近年病蟲情報顯示,南陽麥區(qū)的淅川、西峽、唐河等地條銹病發(fā)生呈現(xiàn)越來越早的趨勢,該區(qū)小麥品種布局對菌源選擇性大量繁殖及防擴散屏障的搭建具有重要作用。南陽麥區(qū)包含黃淮南片南部及以桐柏縣、唐河縣、鄧州市為主的南部組,由于品種區(qū)劃和區(qū)域性氣候獨特造成本地選育品種難度大,主栽品種主要來自陜西和河南省內(nèi)其他育種單位(占80%以上),部分本地自育品種及少量農(nóng)民自留種。了解南陽麥區(qū)主栽小麥品種及鑒定新育品系條銹病抗性水平、條銹抗病基因的分布,對于南陽麥區(qū)、豫東(北)地區(qū)及長江中下游麥區(qū)小麥安全生產(chǎn)意義重大。Yr2在育種上利用較為廣泛,Yr10與Yr18對流行小種仍保持一定抗病性,成株期抗性基因Yr32在育種上使用較少[4]。2002年、2007年條銹病小種CYR32、CYR33分別成為我國條銹菌優(yōu)勢小種,2010年以來,CYR34逐漸成為流行高頻率小種,其致病力在CYR32和CYR33的基礎上增強[5-6]。由于新的條銹生理小種不斷產(chǎn)生并流行,合理布局利用抗病品種對預防小麥條銹病而言最經(jīng)濟也最直接。單一抗源難以抵抗條銹病害的發(fā)生,由于條銹菌種群在抗性寄主的壓力下,進行與抗病性相反的生態(tài)競爭,最終抗病基因大規(guī)模使用也會加速抗病品種抗性的喪失。合理布局抗病品種能夠影響病原菌的進化和小種的流行。準確評價品種的抗病情況和所含抗病基因能夠為品種的推廣、聚合多抗新品種的選育及病害防控提供依據(jù)。南陽麥區(qū)作為我國小麥條銹菌重要的冬繁區(qū),在病害流行中起到關(guān)鍵作用。然而該區(qū)主栽小麥品種、新育品系抗性水平和抗性基因未見報道,這對抗病品種的合理布局和指導本區(qū)域抗性新品種選育是不利的。本研究以南陽麥區(qū)22個主栽小麥品種和鑒定的146個高代品系為材料,在南陽進行連續(xù)兩年自然誘發(fā)鑒定、楊凌進行主流混合菌種接種鑒定,結(jié)合相關(guān)抗病基因分子檢測,評價抗病結(jié)果、解析攜帶抗條銹病基因,最終為這些品種在南陽麥區(qū)的推廣、聚合多抗條銹病新品種選育及為大范圍豫東(北)及華北地區(qū)條銹病害防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為南陽麥區(qū)主栽的22個小麥品種以及2017—2019年西北農(nóng)林科技大學南陽小麥試驗站鑒定的146個高代品系。流行小種混合菌種(條中32、條中33、條中34)由西北農(nóng)林科技大學王保通教授課題組提供。

1.2 試驗方法

1.2.1小麥條銹病鑒定

2017—2018年、2018—2019年在南陽自然誘發(fā)病圃鑒定,楊凌田間人工接種鑒定。4月中下旬、5月初和5月上旬調(diào)查南陽自然發(fā)病情況;3月中下旬楊凌噴霧接種混合菌種(CYR32、CYR33、CYR34)于誘發(fā)行,誘發(fā)材料為輝縣紅,隨后4月中下旬、5月初及中下旬調(diào)查接種發(fā)病情況。參照文獻[7]、文獻[8]記載反應型,采用0～9級標準,高抗(0～3級)、中抗(4～6級)、中感(7級)、高感(8～9級)。

1.2.2抗病基因的分子檢測

小麥生長到三葉期取葉片,采用CTAB法提取DNA?？共』験r2、Yr10、Yr18、Yr32的相關(guān)引物序列通過上海生工生物工程公司合成,引物序列如表1,隨后采用變性聚丙烯酰胺凝膠電泳進行檢測。

表1 試驗所用引物

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥抗條銹病鑒定結(jié)果

2017—2019年分別綜合田間自然發(fā)病、接種鑒定在成株期分別以最高發(fā)病等級評價小麥抗病性。由表2可知,22個南陽麥區(qū)主栽品種連續(xù)兩年在南陽自然誘發(fā)鑒定,表現(xiàn)為中抗及以上12個、中抗到中感6個、中感及以上4個,分別占總數(shù)的54.5%,18.2%,27.3%。楊凌接種鑒定表現(xiàn)為中抗及以上14個、中感及以上8個,分別占總數(shù)的63.6%,36.4%。如表3,高代品系146個,南陽自然誘發(fā)鑒定表現(xiàn)為中抗及以上126個、中感18個、高感2個,分別占總數(shù)的86.3%,12.3%,1.4%。楊凌接種鑒定表現(xiàn)為中抗及以上99個、中感20個、高感27個,分別占總數(shù)的67.8%,13.7%,18.5%。

表2 南陽麥區(qū)22個主栽品種條銹抗性鑒定及分子標記檢測結(jié)果

表3 146個高代品系條銹抗性鑒定及分子標記檢測結(jié)果

2.2 小麥抗條銹病基因檢測結(jié)果

采用前人開發(fā)的Yr2、Yr10、Yr18、Yr32相關(guān)標記進行分子標記檢測。由圖1、表2可見,22個南陽主栽品種,Yr2、Yr10、Yr18、Yr32檢出材料分別為21個、15個、0個、4個,檢出率分別為95.4%,68.2%,0%,18.2%。11個檢出Yr2+Yr10,檢出率為50.0%,1個檢出Yr2+Yr32,檢出率為4.5%,3個檢出Yr2+Yr10+Yr32,檢出率為13.6%。如圖1、表3所示,146個高代品系Yr2、Yr10、Yr18、Yr32檢出材料分別為141個、87個、0個、35個,檢出率分別為96.6%,59.6%,0%,24.0%。61個檢出Yr2+Yr10,檢出率為41.8%,8個檢出Yr2+Yr32,檢出率為5.5%,4個檢出Yr10+Yr32,檢出率為2.7%,22個檢出Yr2+Yr10+Yr32,檢出率為15.1%。

圖1 Yr基因分布情況

3 討 論

3.1 南陽麥區(qū)在我國小麥條銹病流行的地位

南陽麥區(qū)占據(jù)南陽盆地大部,南陽盆地是我國小麥條銹菌重要的冬繁流行區(qū)。南陽地處亞熱帶向溫帶過渡帶,屬季風大陸濕潤半濕潤氣候,常年冬季平均氣溫3.2 ℃,10月、11月平均氣溫分別為16.2 ℃、9.3 ℃,常年10月中旬左右開始播種,小麥條銹菌侵染適宜溫度為9～13 ℃,播種后小麥生長發(fā)育快,為條銹菌大量繁殖創(chuàng)造條件。冬繁區(qū)條銹菌從11月到翌年3月,可以在同一品種發(fā)生多次侵染,不斷增強病原菌毒性。攜帶不同抗條銹病基因的小麥品種選擇匹配毒性小種大量繁殖。南陽麥區(qū)是條銹病從長江流域向黃淮海擴散的關(guān)口,鄰近的鄂西北十堰、襄陽等地冬季菌源充足,也是重要的菌源輸出地。2017年南陽麥區(qū)條銹病大流行,49.7萬hm2麥田發(fā)病,表現(xiàn)為冬前發(fā)病早,后期發(fā)病重,推測在11月上旬或更早發(fā)病,當年河南省小麥條銹病大發(fā)生,然而當年西北條銹菌越夏區(qū)菌源為歷年最少的年份且發(fā)病晚,推測條銹病菌源可能在河南省當?shù)卦较?而南陽地區(qū)的山區(qū)、鄂西北的神農(nóng)架可能也是越夏區(qū)[13-14]。足見南陽麥區(qū)近年推廣的主栽小麥品種起到了降低條銹病菌源量的作用,對豫中(北)乃至華北等地區(qū)的小麥生產(chǎn)形成保護屏障,南陽麥區(qū)栽培選用條銹病多抗聚合基因的小麥品種是最有效、持久調(diào)控越冬菌源量的一種途徑。

3.2 南陽麥區(qū)小麥品種條銹抗性仍需加強

南陽位于河南省西南部,鄂、陜、豫三省交界,是重要的小麥產(chǎn)區(qū),小麥條銹病春季非常流行,經(jīng)常呈現(xiàn)出早發(fā)病、發(fā)病重的特點。河南作為中原糧倉,大部分屬于黃淮麥區(qū),有研究表明,近年來黃淮麥區(qū)小麥品種條銹抗性整體提高[13-15]。然而關(guān)于過渡帶的南陽麥區(qū)小麥品種抗性如何未見報道,南陽麥區(qū)主栽品種是否具有較高水平的條銹抗性,緊密關(guān)聯(lián)主產(chǎn)區(qū)夏糧安全。準確評價當前南陽近年主栽小麥品種及鑒定新育品系條銹病抗性水平能夠為精準防控、抗病基因品種布局及聚合多抗基因新品種選育提供參考。盡管南陽麥區(qū)22個主栽品種中50.0%的品種在連續(xù)兩年南陽自然鑒定和混合菌種接種鑒定都表現(xiàn)出條銹病中抗及以上水平,然而主栽品種中種植面積較大的西農(nóng)979、鄭麥9023、百農(nóng)207、蘭考198等對條銹抗性喪失。此外,聚合Yr2+Yr10+Yr32抗性基因的品種西農(nóng)511、西農(nóng)509、矮抗58表現(xiàn)出較好的條銹抗性,在南陽麥區(qū)生產(chǎn)利用價值較大。鑒定新育品系較南陽近年推廣的品種Yr32檢出率高,聚合Yr2+Yr10+Yr32抗性基因的品系也較多,為后續(xù)聚合多抗基因新品種選育提供種質(zhì)資源。南陽主栽品種和高代品系在自然鑒定條銹病中感及以上,在主流小種混合菌種接種鑒定基本上都是中感及以上,甚至部分麥區(qū)自然鑒定為中感,但楊凌實驗接種鑒定為中抗,足見南陽麥區(qū)條銹病自然發(fā)病較重,在這種自然銹病高發(fā)高壓下對小麥新品種選育有益,但對小麥大田生產(chǎn)非常不利。

3.3 聚合多抗條銹病基因品種(系)利用

持有抗病基因是應對病害發(fā)生并減輕病害的最直接有效途徑,國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)并命名80多個抗條銹病基因[16]。研究過渡生態(tài)區(qū)南陽麥區(qū)用到的抗條銹基因,以及南陽麥區(qū)近年推廣的品種及鑒定新育品系含有的條銹病基因,將有助于南陽麥區(qū)新品種的布局及示范推廣,助力南陽減藥綠色糧食生產(chǎn),為聚合多抗新品種選育提供分子篩選的方向。本研究利用部分已知抗病基因?qū)姆肿訕擞泴δ详桘渽^(qū)近年推廣品種及鑒定新育品系進行分子檢測,結(jié)合自然發(fā)病及主流小種混合菌種接種鑒定抗病性,進行抗病基因分析。結(jié)果表明,22個南陽主栽品種中, 21個品種檢測到含有Yr2,15個品種含有Yr10,4個品種含有Yr32。146個高代品系中,141個檢測到含有Yr2,87個含有Yr10,35個含有Yr32。南陽麥區(qū)主栽的22個品種和146個高代品系都沒有檢測到攜帶Yr18的抗病材料。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)少量抗病性較好的品種(系),存在未知的Yr基因 。可能由于所用標記數(shù)量及部分標記檢測效率有限,不能完全解析抗病品種(系)具體攜帶哪個抗病基因及相關(guān)抗性基因組合。也可能由于部分品種(系)攜帶新的抗病基因,需要繼續(xù)發(fā)掘和利用。

Yr2曾經(jīng)在育種中廣泛利用,表現(xiàn)出?；剐?、全生育期抗性。研究表明,在南陽麥區(qū)主栽品種和鑒定高代品系占比分別為95.4%和96.6%,可見其利用非常廣泛,為基礎抗性,后續(xù)仍需兼顧。Yr10表現(xiàn)出專化抗性、全生育期抗性,對國內(nèi)大多數(shù)生理小種有較好抗性,對我國近年來的優(yōu)勢生理小種條中30和條中31表現(xiàn)出免疫[17-18]。本試驗結(jié)果表明,南陽麥區(qū)主栽品種含Yr10占比68.2%,鑒定高代品系含Yr10占比59.6%。可見南陽麥區(qū)主栽品種中Yr10利用率較高,后續(xù)應繼續(xù)加強抗性較好且含有Yr10的利用。Yr18表現(xiàn)出非?；剐?、高溫成株期抗性,Yan等[19],王鳳樂等[20]研究表明,Yr18利用率較低,本研究中沒有檢測到含有Yr18的品種(系),可能該基因資源不易利用,也可能在田間選擇中丟失。Yr32也是?；剐?、全生育期抗性基因,檢出率分別是18.2%,24.0%,在南陽麥區(qū)推廣品種中利用率不高,在鑒定高代品系中占有率略微提升,但總體而言,Yr32的利用率不高。新育品系中2021年通過審定的宛麥1326、西農(nóng)99、西農(nóng)100等盡管不含Yr32,但仍有較好的條銹抗性,可能含有未知抗性基因,仍需繼續(xù)研究。

今后在南陽麥區(qū)推廣品種要繼續(xù)加強聚合Yr2+Yr10+Yr32抗性基因的品種布局和利用,并且要加強新抗源品種(系)的利用,利用分子標記技術(shù)加強多抗基因聚合,針對南陽麥區(qū)以提高持久抗性。

4 結(jié) 論

南陽麥區(qū)近三成主栽小麥品種條銹抗性喪失,總體抗性仍需提高,聚合多抗基因是獲得多抗的基礎。Yr2、Yr10利用率高,聚合多抗基因及Yr32的品種(系)在南陽麥區(qū)今后推廣、新品種選育中要繼續(xù)加強利用,發(fā)掘新抗源,加強病害監(jiān)測和藥物防治,以降低南陽麥區(qū)菌源地冬季條銹菌量,降低流行風險。針對南陽麥區(qū),利用已知抗病基因相關(guān)品種(系)在親本選配聚合多抗及豐產(chǎn)性上加強利用和分子篩選,培育出抗性更優(yōu)、抗性更持久的新品種。