南陽麥區小麥品種(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.焦作市農林科學研究院, 河南 焦作 454002;3.南陽農業職業學院, 河南 南陽 473000;4.西北農林科技大學農學院/旱區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,是世界小麥生產的一種重要病害,一般造成10%～30%的產量損失,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之一,是黃淮麥區及長江中下游麥區條銹病春季流行重要的菌源輸出地。降低冬繁區的菌源量,調控條銹毒性菌源結構,對小麥銹病綜合治理意義重大。南陽麥區占據南陽盆地大部,常年小麥種植面積67萬hm2左右,總產量占河南總產的10%,對保障河南乃至全國的糧食安全至關重要。南陽麥區處于長江中下游麥區與黃淮麥區交接處[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與黃淮麥區交接處,是鄂北條銹菌冬繁區與長江中下游麥區交接處,是條銹菌重要的冬繁區和流行區。1990年南陽麥區小麥銹病大爆發,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,給全國小麥生產造成重大損失。近年病蟲情報顯示,南陽麥區的淅川、西峽、唐河等地條銹病發生呈現越來越早的趨勢,該區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,由于品種區劃和區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其他育種單位(占80%以上),部分本地自育品種及少量農民自留種。了解南陽麥區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、豫東(北)地區及長江中下游麥區小麥安全生產意義重大。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濟也最直接。單一抗源難以抵抗條銹病害的發生,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競爭,最終抗病基因大規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。南陽麥區作為我國小麥條銹菌重要的冬繁區,在病害流行中起到關鍵作用。然而該區主栽小麥品種、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域抗性新品種選育是不利的。本研究以南陽麥區22個主栽小麥品種和鑒定的146個高代品系為材料,在南陽進行連續兩年自然誘發鑒定、楊凌進行主流混合菌種接種鑒定,結合相關抗病基因分子檢測,評價抗病結果、解析攜帶抗條銹病基因,最終為這些品種在南陽麥區的推廣、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主栽的22個小麥品種以及2017—2019年西北農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月上旬調查南陽自然發病情況;3月中下旬楊凌噴霧接種混合菌種(CYR32、CYR33、CYR34)于誘發行,誘發材料為輝縣紅,隨后4月中下旬、5月初及中下旬調查接種發病情況。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 結果與分析

2.1 小麥抗條銹病鑒定結果

2017—2019年分別綜合田間自然發病、接種鑒定在成株期分別以最高發病等級評價小麥抗病性。由表2可知,22個南陽麥區主栽品種連續兩年在南陽自然誘發鑒定,表現為中抗及以上12個、中抗到中感6個、中感及以上4個,分別占總數的54.5%,18.2%,27.3%。楊凌接種鑒定表現為中抗及以上14個、中感及以上8個,分別占總數的63.6%,36.4%。如表3,高代品系146個,南陽自然誘發鑒定表現為中抗及以上126個、中感18個、高感2個,分別占總數的86.3%,12.3%,1.4%。楊凌接種鑒定表現為中抗及以上99個、中感20個、高感27個,分別占總數的67.8%,13.7%,18.5%。

表2 南陽麥區22個主栽品種條銹抗性鑒定及分子標記檢測結果

表3 146個高代品系條銹抗性鑒定及分子標記檢測結果

2.2 小麥抗條銹病基因檢測結果

采用前人開發的Yr2、Yr10、Yr18、Yr32相關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 南陽麥區在我國小麥條銹病流行的地位

南陽麥區占據南陽盆地大部,南陽盆地是我國小麥條銹菌重要的冬繁流行區。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 ℃,播種后小麥生長發育快,為條銹菌大量繁殖創造條件。冬繁區條銹菌從11月到翌年3月,可以在同一品種發生多次侵染,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。南陽麥區是條銹病從長江流域向黃淮海擴散的關口,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年南陽麥區條銹病大流行,49.7萬hm2麥田發病,表現為冬前發病早,后期發病重,推測在11月上旬或更早發病,當年河南省小麥條銹病大發生,然而當年西北條銹菌越夏區菌源為歷年最少的年份且發病晚,推測條銹病菌源可能在河南省當地越夏,而南陽地區的山區、鄂西北的神農架可能也是越夏區[13-14]。足見南陽麥區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)乃至華北等地區的小麥生產形成保護屏障,南陽麥區栽培選用條銹病多抗聚合基因的小麥品種是最有效、持久調控越冬菌源量的一種途徑。

3.2 南陽麥區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,是重要的小麥產區,小麥條銹病春季非常流行,經常呈現出早發病、發病重的特點。河南作為中原糧倉,大部分屬于黃淮麥區,有研究表明,近年來黃淮麥區小麥品種條銹抗性整體提高[13-15]。然而關于過渡帶的南陽麥區小麥品種抗性如何未見報道,南陽麥區主栽品種是否具有較高水平的條銹抗性,緊密關聯主產區夏糧安全。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22個主栽品種中50.0%的品種在連續兩年南陽自然鑒定和混合菌種接種鑒定都表現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979、鄭麥9023、百農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511、西農509、矮抗58表現出較好的條銹抗性,在南陽麥區生產利用價值較大。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,為后續聚合多抗基因新品種選育提供種質資源。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,足見南陽麥區條銹病自然發病較重,在這種自然銹病高發高壓下對小麥新品種選育有益,但對小麥大田生產非常不利。

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生并減輕病害的最直接有效途徑,國內外已發現并命名80多個抗條銹病基因[16]。研究過渡生態區南陽麥區用到的抗條銹基因,以及南陽麥區近年推廣的品種及鑒定新育品系含有的條銹病基因,將有助于南陽麥區新品種的布局及示范推廣,助力南陽減藥綠色糧食生產,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對應的分子標記對南陽麥區近年推廣品種及鑒定新育品系進行分子檢測,結合自然發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,本研究還發現少量抗病性較好的品種(系),存在未知的Yr基因 ?？赡苡捎谒脴擞洈盗考安糠謽擞洐z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,需要繼續發掘和利用。

Yr2曾經在育種中廣泛利用,表現出?；剐?、全生育期抗性。研究表明,在南陽麥區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,后續仍需兼顧。Yr10表現出?；剐?、全生育期抗性,對國內大多數生理小種有較好抗性,對我國近年來的優勢生理小種條中30和條中31表現出免疫[17-18]。本試驗結果表明,南陽麥區主栽品種含Yr10占比68.2%,鑒定高代品系含Yr10占比59.6%?？梢娔详桘渽^主栽品種中Yr10利用率較高,后續應繼續加強抗性較好且含有Yr10的利用。Yr18表現出非?；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99、西農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,仍需繼續研究。

今后在南陽麥區推廣品種要繼續加強聚合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,利用分子標記技術加強多抗基因聚合,針對南陽麥區以提高持久抗性。

4 結 論

南陽麥區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)在南陽麥區今后推廣、新品種選育中要繼續加強利用,發掘新抗源,加強病害監測和藥物防治,以降低南陽麥區菌源地冬季條銹菌量,降低流行風險。針對南陽麥區,利用已知抗病基因相關品種(系)在親本選配聚合多抗及豐產性上加強利用和分子篩選,培育出抗性更優、抗性更持久的新品種。