甘肃36个小麦生产品种抗叶锈病基因分析及成株期抗性评价

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　　摘要 为明确甘肃省主要小麦品种可能含有的抗叶锈病基因状况，用来自甘肃不同地区的22个小麦叶锈菌生理小种，在苗期对测试品种进行抗叶锈基因推导，并对这些材料进行成株抗叶锈性鉴定。结果表明，在已知抗叶锈病基因中，Lr2B、Lr13、Lr16、Lr22A、Lr30和Lr14B等基因以单基因或基因组合的形式分别分布在‘灵选6号’‘会宁15’‘兰天37’‘陇鉴113’‘兰天151’‘兰天134’和‘兰天40’等7个小麦品种中。‘陇鉴111’‘兰天31’‘陇鉴9343’‘天选67’和‘天选65’等14个品种可能含有与供试已知基因不同的抗性基因，‘中梁35’‘陇鉴110’‘陇原931’和‘天选57’等15个小麦品种推导其不含有供试的抗叶锈病基因。成株期抗叶锈性鉴定表明：‘陇原931’‘陇鉴9343’‘天选57’‘天选67’‘兰天31’‘临麦22’‘兰天134’‘兰天151’‘陇鉴113’‘陇麦838’和‘中梁35’具有较好的成株期抗性，具有抗叶锈病应用潜力。
　　关键词 小麦叶锈病; 基因推导; 抗病基因; 小麦叶锈菌
　　中图分类号： S 435.121.43
　　文献标识码： A
　　DOI： 10.16688/j.zwbh.2019186
　　Postulation of leaf rust resistance genes of 36 wheat cultivars developed in
　　Gansu and their resistance evaluation at adult-plant stage
　　HUANG Jin， JIN Shelin*， CAO Shiqin， JIA Qiuzhen， LUO Huisheng，
　　ZHANG Bo， SUN Zhenyu， WANG Xiaoming
　　（Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou 730070， China; Scientific Observing
　　and Experimental Station of Crop Pests in Tianshui， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tianshui 741299， China）
　　Abstract
　　In order to clarify the leaf rust resistance genes in the wheat cultivars developed in Gansu， 36 wheat cultivars were selected to postulate the possible resistance genes contained by inoculating with 22 races of Puccinia recondita f.sp. tritici at seedling stage， and their leaf rust resistance was evaluated at adult-plant stage with artificial inoculation. The result showed that six leaf rust resistance genes Lr2B， Lr13， Lr16， Lr22A， Lr30 and Lr14B either singly or in combination were postulated in 7 cultivars， such as ‘Lingxuan 6’‘Huining 15’‘Lantian 37’‘Longjian 113’‘Lantian 151’‘Lantian 134’ and ‘Lantian 40’. The fourteen cultivars such as ‘Longjian 111’‘Lantian 31’‘Longjian 9343’‘Tianxuan 67’‘Tianxuan 65’ etc. were deduced containing other genes different from the 42 known Lr genes used in this study. No Lr gene was detected in fifteen cultivars such as ‘Zhongliang 35’‘Longjian 110’‘Longyuan 931’‘Tianxuan 57’etc. at seedling stage. Besides， the genotypes of ‘Longyuan 931’ ‘Longjian 9343’‘Tianxuan 57’‘Tianxuan 67’‘Lantian 31’‘Linmai 22’‘Lantian 134’‘Lantian 151’‘Longjian 113’‘Longmai 838’ and ‘Zhongliang 35’ are highly resistant to leaf rust at adult-plant stage and show potential use in wheat production and wheat resistance cultivar breeding.
　　Key words
　　wheat leaf rust; gene postulation; resistance gene; Puccinia recondita f.sp. tritici
　　由隱匿柄锈菌小麦专化型Puccinia recondita f.sp. tritici引起的小麦叶锈病是影响小麦安全生产的一种重要病害[1]，该病发生历史久远、分布广泛、流行性强、危害严重，在北美、欧洲、亚洲、大洋洲、非洲等几乎所有小麦种植区均有发生，病害流行年份可造成40%以上的产量损失[2-3]。在我国，小麦叶锈病一直是河北、山西、内蒙古、河南、山东、山西、贵州、云南、黑龙江、吉林小麦生产上的重要病害。小麦叶锈病曾在1969年、1973年、1975年和1979年大流行，造成小麦减产严重，带来巨大的经济损失[4]。近几年来，该病害在我国西南、西北、华北和东北以及长江流域、黄淮海流域发生逐渐严重。2012年全国较大范围大发生，在甘肃、陕西、湖北、安徽、江苏、河南、山东、河北和内蒙古等地发生严重[5]。2015年和2016年黄淮麦区小麦叶锈病的发生较往年提前了近一个月[6]。小麦叶锈菌已知生理小种的毒性变化、新毒性生理小种的出现、叶锈菌群体中毒性小种的组成与数量变化[7]和抗病品种的单一化长期种植等，是造成品种抗性丧失进而导致叶锈病暴发流行的主要原因[8]。随着全球气候变暖，气象条件更加适合小麦叶锈病的发生和流行，未来可能会造成更大的危害[6]。虽然化学防治快速有效，但选育并种植抗病品种是防控该病害最经济、有效和安全的方法[9]。 　　目前，国际上已经发现了100余个小麦抗叶锈基因，其中正式命名的有73个。大多数已命名的抗病基因具有小种专化性，容易“丧失”抗性[9-10]，仅有Lr12、Lr13、Lr22（等位基因a和b）、Lr34、Lr35、Lr37、Lr46、Lr48、Lr49、Lr67和Lr68等12个为成株抗叶锈病基因，其中Lr34、Lr46、Lr67和Lr68为成株微效基因，具有持久抗病性[11]。因此探明品种的抗性特点及所具有的抗病基因对栽培持久抗性品种具有重要的意义。基因推导主要通过在一定环境条件下寄主与病原物相互作用的侵染型来判断，自Flor[12]提出基因对基因学说以来，许多学者已利用已知基因载体品系与锈菌的互作关系，在推导中国小麦品种苗期抗病基因方面做了大量工作[13]。用这种方法简单快速，且结果便于比较归类，因此，是小麦抗叶锈病基因快速检测的手段之一，并广泛应用[14]。陈万权等[15]在我国24份小麦品种中，推导出Lr1、Lr2c、Lr3bg、Lr10、Lr13、Lr14a、Lr16、Lr23、Lr26和Lr32等10个抗叶锈病基因;Li等[1]在我国小麦材料中鉴定出含有Lr1、Lr26以及新基因LrZH84[16]等;胡亚亚等[17]在14份小麦材料中推导出Lr1、Lr10、Lr26、Lr34和Lr50等5个抗叶锈病基因;安哲等[18]在31个小麦品种中推导出可能含有Lr1、Lr2a、Lr11、Lr17、Lr18、Lr25、Lr30、Lr3bg和Lr50等9个抗叶锈基因;严晓翠等[19]在30个小麦品种中检测到Lr1、Lr26、Lr13和Lr46等4个抗叶锈病基因;张林等[20]在河南16个主栽小麦品种中推导出可能含有Lr1、Lr16、Lr26和Lr30抗叶锈基因;这些抗叶锈病基因的鉴定为我国不同地区品种的合理布局提供了有力的参考依据。
　　小麦叶锈病在甘肃过去一直为次要病害，但是近年来发生日趋加重。尤其在2012年，陇南市、天水市、平凉市、庆阳市、定西市小麦叶锈病中度偏重发生，局部地区大发生，总发病面积52万hm2，占播种面积的70%以上，发病严重田块产量损失超过20%[21]。2013年和2014年，叶锈病在甘肃陇南麦区和中部麦区的一些区域仍然中度偏重发生。明确甘肃省主要小麦品种的抗叶锈基因及基因组合情况，掌握抗病基因分布情况，对于针对性开展抗病育種和进行抗病基因的合理布局，保证甘肃省小麦生产安全有着重要意义。为此，本研究以基因推导和成株期鉴定方法为主，对甘肃省36个小麦品种进行了抗叶锈基因分析，以明确主要小麦品种抗叶锈病基因组成情况，为甘肃省小麦品种合理布局，抗病育种及小麦叶锈病综合防控提供可靠依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　供试品种：42个携带已知抗叶锈病基因的鉴别寄主由华中农业大学兰彩霞教授和河北农业大学李在峰教授提供（表1）。36个甘肃省小麦主栽品种（表2）由甘肃省农业科学院提供。感病品种‘铭贤169’为对照。用于基因推导的22个不同毒性的小麦叶锈菌生理小种采自甘肃不同的小麦生态区，包括THTS①、MHTN、SKSS、THTP、NHFN、NHFP、TCTP、TKTT、TKTS、PKTT、THJS、NHTP、PHSS、LKKN、PCTT、PKJS①、THPS、PKJS②、SHTF、THTS②、PHTT和NHKP等;用于成株期抗性鉴定的小麦叶锈菌混合小种由不同毒性谱的多个小种混合组成，包含上述22个不同毒性的小麦叶锈菌生理小种和甘肃自然种群中的优势毒性小种，由甘肃省农业科学院植物保护研究所麦病组保存。
　　1.2 苗期抗叶锈鉴定及基因推导
　　试验在甘肃省农业科学院植物保护研究所兰州温室进行。将所有供试品种及近等基因系（或单基因系）分别种植于直径为9 cm的花盆中，并以感病材料‘铭贤169’为对照，每品种播种7～9粒。待小麦幼苗第1片叶完全展开时，采用孢子悬浮液喷雾法进行接种，置于（20±5）℃下黑暗保湿24 h后，移入温度为15～28℃的温室内常规培养;待感病对照充分发病后，按Roelfs的标准[22]对每套小麦品种进行叶锈病侵染型（抗感反应型）鉴定，并根据Dubin等[23]提出的基因推导原则进行抗病基因推导。
　　1.3 成株期田间抗性鉴定
　　试验在甘肃省农业科学院植物保护研究所甘谷试验站进行。2017年10月中旬将小麦按照行距25 cm、行长2 m播种于试验田，垂直于播种行种植‘铭贤169’作为接种行。在翌年5月初小麦拔节期，选择天晴无风的傍晚，用小麦叶锈菌混合菌种1 g加1 000 mL水，制备成0.1%的孢子悬浮液（含0.1%吐温80）进行喷雾接种，保湿14 h。待小麦到乳熟期，感病对照品种‘铭贤169’严重度达到80%时，按Roelfs的侵染型分级标准[22]进行病害调查，记载严重度、侵染型，成株期抗叶锈鉴定可参照Li等[1]的方法。
　　2 结果与分析
　　2.1 苗期抗叶锈病基因分析
　　苗期接种鉴定出22个小麦叶锈菌生理小种对已知抗叶锈病基因载体品种及测试品种的侵染型（表1，表2）。在42个已知抗叶锈基因中，携带Lr9、Lr41和Lr47的载体品种对所有供试叶锈菌生理小种均表现抗病，但是由于待测材料的表现型与它们的抗性反应不同，因此推断36个供试材料可能不含有抗叶锈基因Lr9、Lr41和Lr47。而携带Lr22B、Lr1、Lr12、Lr17和Lr26的载体品种对22个供试的小麦叶锈菌生理小种均表现为高感，因此这些基因也无法通过苗期接种鉴定而推导出来。在测试的36个品种中，共发现7个小麦品种具有Lr2B、Lr13、Lr14A、Lr16、Lr22A和Lr30等6个抗病基因，有29个品种不具有本试验选用的近等基因系所具有的已知抗叶锈基因。其中Lr2B对THTP、NHFN、NHFP、PHSS、LKKN、PKJS①、PKJS②、SHTF和NHKP表现低反应型，对其他生理小种表现高反应型，Lr13对TKTT表现低反应型，Lr16对TCTP和PCTT表现低反应型，Lr30对SKSS、THJS、PHSS和PKJS②表现低反应型，‘灵选6号’对MHTN、PKTT、LKKN、THPS和THTS②表现高反应型，对其他小种均表现低反应型，对所有Lr2B、Lr13、Lr16和Lr30无毒的小种均表现抗性，推断‘灵选6号’可能含有Lr2B、Lr13、Lr16、Lr30和其他未知基因或基因组合;Lr22A对小种THTP、LKKN表现低反应型，对其他小种表现高反应型，‘会宁15’‘兰天37’和‘陇鉴113’对所有Lr22A无毒的小种均表现抗性，表明这3个材料中可能含有Lr22A。Lr14A只对小种PKJS①表现低反应型，对其他小种表现高反应型，‘兰天151’和‘兰天134’对PKJS①表现低反应型，说明‘兰天151’和‘兰天134’可能含有Lr14A;Lr13对TKTT表现低反应型，对其他小种表现高反应型，‘兰天40’除对TKTT、THPS、PKJS②、THTS②表现低反应型外，对其他小种的反应型与Lr13一致，因此推导其可能含有Lr13基因。‘陇鉴111’‘定西48’‘陇鉴385’‘兰天31’‘陇中2号’‘陇鉴9343’‘天选67’‘静东031’‘庄浪13’‘临麦22’‘陇春30’‘成县11’和‘天选65’等13个品种与供试抗病基因品种的抗感反应型均不相同，由此推测这13个品种的抗性是由除供试抗叶锈基因之外的某个已知抗病基因或者多个已知或未知抗叶锈基因互作所产生的;‘天选48’仅对1个供试小种表现抗性，该品种也不具有本试验所用的单基因系所具有的抗叶锈病基因。‘中梁35’‘陇鉴110’‘陇原931’‘陇麦838’‘陇春27’‘武春10号’‘天选57’‘会宁18’‘定西41’‘定西42’‘临麦33’‘临麦34’‘临麦35’‘陇中1号’‘甘春24’15个小麦品种对22个供试小种均表现感病，推导这些品种中不含有对这些小种表现抗性的抗叶锈基因。 　　2.2 成株期抗叶锈病鉴定
　　对这36个小麦品种接种混合小种进行了成株期抗叶锈鉴定，发现仅有‘陇原931’表现免疫， 7个品种‘陇鉴9343’‘天选57’‘天选67’‘兰天31’‘临麦22’‘兰天134’‘兰天151’在成株期表现低反应型（反应型在0;～2之间），有28个品种在成株期对混合小种表现感病，其中‘陇鉴113’‘陇麦838’和‘中梁35’虽表现中度感病，但严重度仅为20%，有慢叶锈病特性，是具有抗叶锈性应用潜力的品种。
　　3 讨论
　　本试验利用基因推导和成株期抗锈性相结合的方法，评价了甘肃省36个供试小麦品种的抗叶锈性，从而掌握甘肃省主要小麦品种的抗叶锈性状况，为品种的合理布局及抗病育种提供参考。试验发现36个小麦品种中共有16个品种对供试的所有叶锈菌均表现感病，占测试品种的44.4%;经苗期基因推导仅‘会宁15’‘兰天37’‘陇鉴113’‘兰天151’‘兰天134’‘兰天40’和‘灵选6号’含有已知抗病基因，占测试品种的19.4%。‘兰天151’和‘兰天134’含有Lr14A基因，可能该抗病基因来源于同一亲本;‘会宁15’‘兰天37’和‘陇鉴113’可能携带有Lr22A，‘兰天40’可能携带有Lr13，但此4个品种叶锈病田间严重度分别是60%、60%、20%和40%。‘会宁15’‘兰天37’和‘兰天40’表现为成株期感病，‘陇鉴113’表现为慢锈品种，因此‘会宁15’‘兰天37’和‘陇鉴113’是否携带Lr22A，‘兰天40’是否携带Lr13有待进一步试验验证;供试材料中未推导出目前有效的抗叶锈病基因Lr9、Lr41和Lr47。抗叶锈基因Lr1和Lr26是我国小麦品种中出现频率比较高的两个抗病基因[25-27]，但由于本试验缺少对Lr1和Lr26表现低毒力的生理小种，因此未能对Lr1和Lr26抗病基因进行推导。通过对甘肃省36个小麦生产品种的苗期抗叶锈性分析发现，这些品种对当地22个小麦叶锈菌生理小种表现出高度感病，且缺乏含有效抗叶锈病基因的品种，一旦条件适宜，小麦叶锈病在甘肃地区极易发生和流行，这应该引起生产管理部门和育种专家的注意和重视。
　　慢锈性一般在成株期表现，该类抗性对病原菌生理小种专化性较弱，表现潜育期长、孢子堆小和产孢量少[24]。本研究通过成株期抗病性鉴定，得到‘陇原931’‘陇鉴9343’‘天选57’‘天选67’‘兰天31’‘临麦22’‘兰天134’和‘兰天151’8个表现抗病的品种，‘陇鉴113’‘陇麦838’和‘中梁35’3个表现成株慢锈性的品种，这些材料中可能携带未知的成株抗叶锈基因，在小麦生产中具有应用潜力。
　　基因推导适合对单基因或单个主效基因进行分析。多基因互作、环境条件和品种遗传背景對基因表达效能有一定影响，在一定程度上影响了基因推导结果的准确性[18]，易受小种鉴别力不足或遗传背景等因素的影响，使鉴定结果受到限制。分子标记辅助筛选鉴定是采用与抗叶锈基因紧密连锁的分子标记对相应基因进行有效追踪的方法，是进行抗病基因鉴定的重要辅助工具，具有快速、准确和不受环境条件限制的特点[28]。目前，已开发的与小麦抗叶锈基因Lr1、Lr2c、Lr9、Lr10、Lr12、Lr14a、Lr16、Lr19、Lr20、Lr21、Lr24、Lr25、Lr26、Lr28、Lr29、Lr32、Lr34、Lr35、Lr37、Lr38、Lr41、Lr42、Lr47和Lr50等紧密连锁或共分离的STS（sequence tagged site）、SCAR（sequence characterized amplified regions）、SSR（simple sequence repeats）和RAPD（random amplified polymorphic DNA） 标记可用于抗叶锈基因的快速、准确鉴定[20]。本研究开展了36个小麦主栽品种的基因推导和成株期的抗病表型鉴定，为甘肃小麦品种的抗叶锈性特点提供了信息，同时也为甘肃省的抗锈育种提供理论依据;今后应加强有效的小麦叶锈病抗锈资源的分析，同时将基因推导法与分子标记检测法结合起来，为甘肃省小麦抗叶锈病育种、品种布局及综合防控提供更准确、可靠、有效的指导与依据。
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　　（责任编辑：王 音）
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