小麥抗白癜風育種研究進展

由專性生殖器真小麥粉菌（blumarisdc.f.sp.tri）引起的小麥粉菌性疾病已給世界許多國家的小麥生產帶來潛在風險。二十世紀八十年代以來,隨著矮稈、半矮稈品種的推廣和水肥條件的改善,小麥白粉病的發(fā)生及危害在我國日趨嚴重。1990年小麥白粉病在全國39%的小麥種植面積上發(fā)生流行,造成小麥產量損失14.38億kg(金善寶1996)。為了有效地控制小麥白粉病的流行和危害,我國眾多學者從植物病理學、抗病育種學等相關領域開展了大量的基礎和應用研究。本文僅對我國小麥白粉病有關方面研究的新進展,結合本單位的工作進行綜述與分析。1對我國小麥白領菌毒種的檢測自從Mains(1930,1933)報道了大麥、小麥白粉病菌的寄主品種?；F(xiàn)象以后,在歐洲、北美、澳大利亞等曾對禾谷白粉病(ErysiphegraminisDC)特別是大麥和小麥白粉菌(E.graminisf.sp.hordei和BlumeriagraminicDCf.sp.tritici)的生理小種有過大量的研究報道,在此基礎上進行的抗病品種的培育和種植,對世界糧食產量的大幅度增加起過重要的作用。我國小麥白粉病菌生理小種的研究始于20世紀70年代末,到1995年,有記錄的小種已達60多個。從上世紀七十年代以來,由于基因對基因學說在許多植病體系中得到證實而受到廣泛的認可。隨著群體遺傳學理論的建立和滲透,國外對禾谷白粉病菌生理小種及其變異的研究已轉向對病菌群體結構及其變化的研究,即對毒性基因的頻率進行分析,并對毒性群體動態(tài)進行監(jiān)測。八十年代起,毒性分析的方法也逐漸應用于我國小麥白粉病菌的研究。從1991年至1994年的毒性頻率分析來看,我國小麥白粉病菌對已知抗病基因Pm21、Pm2、Pm2+6、Pm2+Mld和Pm2+Talent的毒性頻率為0%~15%左右,對Pm4a和Pm4b的毒性頻率則分別在19%~35%和2%~27%之間變化;此外,白粉病菌群體對Pm1、Pm3a、Pm3c、Pm3f、Pm5及Pm8基因有很高的毒性頻率,小麥白粉病對含Pm8的高加索的毒性頻率在四年中分別達到99.4%~100%。V4a的頻率在總體上呈上升趨勢;小麥白粉病菌對新近轉育成功的Pm21抗病基因的毒性頻率為零。對我國小麥白粉菌群體毒性進行比較,結果顯示,近些年來西南地區(qū)的白粉菌群體對Pm2、Pm2+Mld及Pm4a、Pm4b的毒性頻率超過30%,明顯高于北京和江浙地區(qū),而三地區(qū)的白粉菌群體對Pm2+6和Pm2+Talent的毒性都保持了較低的水平。從總體看,西南地區(qū)小麥白粉菌對各抗病基因的毒性頻率均顯著高于其它地區(qū),說明西南地區(qū)小麥白粉菌的毒性比其它地區(qū)復雜。七十年代中期,人們在對群體遺傳學理論理解的基礎上認識到生理小種研究的局限性,通過對Person提出的一個表明植物病原群體生理專化在田間的基因對基因互作理論模型的推廣,提出用表現(xiàn)型對表現(xiàn)型分析來實施基因對基因假說在田間的應用,從而使對病菌群體的分析進入應用階段。應用這一原理對我國小麥白粉菌的毒性進行分析,可清晰地看出小麥白粉病菌對各已知抗病基因的毒性頻率及其走向。小麥白粉病菌生理小種的鑒定在歷史上曾起過重要作用。隨著科學研究的發(fā)展,掌握病菌群體的毒性結構、分布和動態(tài),更便于對抗病基因及其有效區(qū)域進行評價,且直接分析病菌對已知抗病基因的毒性頻率,了解毒性基因變化動態(tài)對抗病基因喪失作出早期預測,可為育種部門超前性育種提供依據。今后應創(chuàng)造條件,根據國內抗源材料和主要生產品種所含抗白粉病基因,組建一套具有不同抗病基因的近等基因系作為鑒別寄主,這樣的鑒定結果,在較大程度上可供育種和生產上配置品種直接利用。為了提高測定結果的實用性,必須根據育種材料和生產品種的階段性變化情況,及時補充或更換鑒別寄主,因此大力開展抗病基因鑒定和我國近等基因系的培育工作十分必要。2抗病品種的分子標記及其應用1990年,澳大利亞學者Waterhouse.W.L.首次報道小麥品種Thew攜帶一對顯性抗病基因,隨后Sears(1950)把抗白粉病基因Pm1定位在7AL上,至今已有24個位點共33個小麥抗白粉病基因定位在所有7個染色體部分同源群中(表1)。這些抗病基因的發(fā)現(xiàn)和定位為有目的地進行抗白粉病育種打下了良好的基礎。除表1中所列已知抗白粉病基因外,在一粒小麥、阿拉拉特小麥、山羊草屬、偏凸山羊草(A.ventricosa)、叢形山羊草(A.comosa)、冰草屬、大麥屬及鵝觀草屬等近緣物種中亦發(fā)現(xiàn)有對小麥白粉病高抗至免疫的材料。然而,值得指出的是,普通小麥本身的抗性資源尚待充分挖掘利用,我國的一些地方品種,如小白冬麥、紅卷藝、復壯30(地方改良品種)均表現(xiàn)高抗白粉病。很有必要弄清這些抗源的基因位置所在及抗譜范圍,以便有效利用。目前,有關抗病品種或品系所含具體Pm基因的信息常來自系譜推導、單體分析、基因定位、抗譜分析及寄主與病原互作產生的侵染型分析等方法。但在親本遺傳背景不清楚或含有兩個或兩個以上抗病基因的情況下,上述分析方法的具體操作就顯得比較復雜,很難在育種實踐中廣泛采用,而且由于基因之間的互作及環(huán)境條件干擾,其準確性也往往受到影響,而現(xiàn)今發(fā)展起來的分子標記技術在某種程度上解決了這個問題。因為分子標記相對于形態(tài)標記、細胞學標記和生化標記具有以下特點:a不受時空限制,不依賴基因表達,可在任何發(fā)育階段和組織中進行檢測;b數量多、多態(tài)性高;c有許多分子標記表現(xiàn)為共顯性,能夠鑒別基因型是否純合,提供完整的遺傳信息等。在小麥抗白粉病分子標記研究中使用的主要是RFLP和RAPD兩種技術。劉金元等(2000)利用已驗證過的與Pm2、Pm4及Pm6緊密連鎖的分子標記,對南京農業(yè)大學細胞遺傳所與江蘇省里下河地區(qū)農科所合作育成的優(yōu)良抗病新品系,以及其他單位育成的但所含具體Pm基因尚有異議的抗病品種進行了分析,明確了這些材料中所含具體的白粉病抗病基因,顯示出分子標記技術在育種應用上的獨特優(yōu)越性。我國長期大面積推廣品種中90%左右的抗源來自Pm8基因,但Pm8基因目前在我國絕大部分地區(qū)已基本或完全喪失抗性。隨后在中國的栽培小麥品種中還檢測到Pm2、Pm4a、Pm4b、Pm5、Pm6等6個基因。除Pm8外,Pm1、Pm3a、Pm3c、Pm3f、Pm5、Pm7等抗病基因在我國已先后報道被相對生理小種的毒性基因所克服,而Pm1、Pm4、Pm6、XBD(存在于農家品種“小白冬麥”中),目前在我國西南地區(qū)已被發(fā)現(xiàn)開始喪失抗性,但它們在我國其它絕大部分地區(qū)仍表現(xiàn)有效。在抗病品種的培育過程中,幾乎沒有利用含Pm7的品系Transec,這可能是由于其存在不良性狀連鎖之故。Pm9沒有單獨的載體,它往往與Pm1、Pm2共存于一個品種中。Pm10、Pm11、Pm14、Pm15抗偃麥草?；桶追鄄?不抗小麥白粉病,所以在生產上沒有利用價值。經鑒定,Pm12、Pm13、Pm18、Pm20及Pm21目前在我國表現(xiàn)高抗至免疫,因而亦應盡快將它們轉入生產品種中去。除Pm21以外,含有其它6個Pm基因的品種(系)農藝形狀差,不宜直接用作育種親本,但可籍各種新的生物技術手段以加快轉移利用這些Pm基因的進程。另外Pm17雖然抗性不全,但大多數菌系對其均無很高毒力,可作為背景抗性材料與其它基因組合使用。二十世紀八十年代中期以來,隨著Pm8基因的抗性在我國大部分地區(qū)相繼喪失,導致小麥白粉病在全國范圍內多次大流行,而且目前可供大面積推廣應用含其它Pm基因的抗病品種很少,所以我國隨時都有面臨小麥白粉病流行危害的危險。品種抗性喪失過快,是由于病菌小種變異快,新小種克服了相應Pm基因的抗性所致,這種寄主與病源物間的競爭將長期存在,且愈演愈烈,從而造成小種?；剐栽谟N上的被動局面。如何走出這種困境,保持相對穩(wěn)定、持久的抗性,是抗病育種界共同關注的焦點。3抗病品種的選擇抗病育種的歷史證明,選育和使用抗病品種防治農作物病害是最經濟有效的措施。長期以來,抗病育種主要使用了小種?；共⌒?由于病源菌生理小種變異,抗病品種的抗病性喪失現(xiàn)象愈益突出,大大縮短了抗病品種使用年限,甚至品種抗性喪失的速度超過了育種速度,這是理論和實踐上急待研究解決的課題。許多學者認為,解決此問題主要可從以下幾方面來考慮:(1)盡快改變抗源單一化和品種單一化的局面。加快推廣利用不同的高效抗病基因,逐步實現(xiàn)抗病基因和抗病品種的合理布局,以減緩優(yōu)勢毒性菌系的繁殖速率,減少越夏菌源和外來菌源,盡量減少病害流行造成的損失。(2)注重多個高效基因的累加及多系品種的培育。進行抗白粉病基因累加應是培育持久抗性品種的一條有效途徑。陳新民(1999)利用矮稈、早熟,抗條銹病的CA8695為母本,與高稈晚熟、抗白粉病(含Pm2+4b+6三個抗白粉病基因)和抗條繡病的C39為父本雜交,F1代與推廣品種京411復交選育出CA9950、CA9953、CA9644、CA9641等小麥新品系,其抗性明顯優(yōu)于單一基因。MarisHuntsman(Pm2+6)在英國種植十多年仍然保持較好抗性,這可能是由于其中所含的兩個乃至數個主效抗病基因,使小種演化難以導致其抗性喪失。實踐證明,單基因控制的抗性極易丟失,由多個基因控制的抗性一般較為穩(wěn)定持久。借助分子標記等新技術,培育抗病譜上互補性較強的多系品種應用于大田,也可大大控制新的優(yōu)勢小種在某一地區(qū)的流行及擴展。(3)重視低感和慢粉抗性品種的利用。對抗病品種的選育應用中,在追求免疫、高抗傳統(tǒng)目標的同時,不要輕易放棄具有其它抗性品種的選育。在生產上低感、慢白粉和耐病品種也值得合理布局利用。小麥品種的慢白粉抗性,已逐漸引起人們的興趣和重視。許多研究證明,慢白粉抗性組分包括侵染效率低、潛育期較長、產孢能力弱,從而使白粉病上升速度緩慢,最終嚴重度和普遍率較低。Shaner(1973)對慢白粉品種Knox小麥的研究指出,這種慢病性主要是由于減少了侵染和孢子的產生所致。Singh(1990)以菌落數量、菌落尺度、產孢指數和嚴重度為指標,鑒定印度的HB208等4個品種為慢白粉品種。王錫鋒等(1991)則以病害進展曲線下的面積(AUDPC)和最終嚴重度為指標,鑒定周8846和保豐7228為慢白粉品種。張志德等(1994)研究發(fā)現(xiàn),小麥品種里勃留拉、咸農4號和阿勃為慢白粉品種,小偃6號為中慢品種,它們的抗性對病菌小種無特異性。盛寶欽(1990)鑒定臨運85等9個品系具有慢白粉特性。吳畏等(1985)在白粉病慢發(fā)抗性研究基礎上選出16個春小麥品種,包括4種不同的抗性類型。利用特種蛋白質染料考馬斯亮藍(CoomassieBrilliantBlueR250)和棉藍乳酚液快速撕表皮染色法鏡檢觀察4種不同抗性品種被侵染葉片白粉病菌吸器變化,得出抗病品種有以下特點:a抗病類型延遲吸器得形成;b吸器數目增加緩慢;c吸器數量少而小;d吸器消衰快。苗期和成株期吸器與品種抗性有一致得趨勢,因此采取在苗期撕表皮后染色觀察吸器的簡易方法可用于早期選擇抗病和淘汰感病材料。據段雙科等(1999)在陜西楊凌八年的觀察研究,淮陰894、阿勃等屬低感、慢粉品種,具有非小種?；剐缘奶卣?抗病性持久穩(wěn)定。慢白粉病品種(系)大都是苗期感病,田間成株期抗病,這類品種成株期病情發(fā)展有以下特征:a病菌侵染潛育期長;b病葉普遍率和嚴重度低,病指增長速度緩慢;c頂三葉病斑稀少;d病斑薄、小,產生孢量