小麦抗白粉病基因资源研究进展及江苏淮北地区育种利用策略

2021-12-11侯富李海军李菁李丽丽王永军潘丽媛孙苏阳

安徽农学通报 2021年22期

侯富李海军李菁李丽丽王永军潘丽媛孙苏阳

摘要：白粉病是小麦的主要病害之一，由于发病范围广、强度大等特点，对我国小麦安全生产构成了严重威胁。小麦白粉菌为专性寄生真菌，生理小种变异速率较快，单一抗性基因面临丧失抗性的风险，分子标记辅助聚合育种将多个抗性基因聚合在一起，增加小麦整体抗性。该文综述了小麦白粉病研究概况、致病机理、基因来源和定位克隆，以及江苏淮北麦区育种策略，为抗白粉病小麦品种的选育与应用提供参考。

关键词：小麦白粉病;分子标记;聚合育种

中图分类号 S435文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）22-0042-04

小麦白粉病是由禾本科布氏白粉病菌引起的气传性真菌病害，世界各主要麦产区均有白粉病发生，产量损失2%～5%;而在发生较为严重的欧美地区，白粉病可造成小麦产量减产达20%[1]。中国小麦栽培遍布全国，白粉病几乎在所有麦区都有发生，全生育期都可侵染，对我国小麦的生产造成了严重的经济损失[3]。白粉病干扰小麦叶片、茎秆、穗部等器官的光合作用，影响小麦生长、抽穗、灌浆及最终加工品质。当天气有利菌丝体出现在旗叶出苗或者抽穗期，粮食产量损失高达40%[2]。据统计，江苏省小麦种植面积在240万hm 2左右，2014—2019年平均产量占全省粮食作物产量的35.41%，仅次于水稻（53.19%）[4]，其中淮北地区小麦约占总面积的2/3，是江苏省小麦主产区和高产区。本文综述了小麦白粉病的研究概况，以期为江苏淮北麦区白粉病抗性育种提供理论参考。

1 小麦白粉病概况及致病机理

1.1 形态及分类比利时的Marchal E.教授1903年从禾谷白粉菌分离出专门侵染小麦的白粉菌病，禾本科布氏白粉菌-小麦专化型白粉菌属于子囊菌亚门真菌，菌丝体表寄生，附着于寄主表面，在寄主表皮细胞聚集吸收寄主营养，从而影响寄主的生长[5]。张怡等[6]使用扫描电镜观察小麦白粉菌，每个分生孢子梗端有3～10个椭圆形、单孢、长度约22.2μm、宽度为12.5μm串生的分生孢子，分生孢子梗则是垂直于菌丝体。

1.2 发病及危害小麦白粉病侵害小麦植株地上部分，以叶片及叶鞘为主，茎秆和穗部也有发病。发病起始为黄色小点，病情继续加重时形成圆形或椭圆形病斑，初期会出现白粉霉层，到达中后期白灰色逐渐变成浅褐色，并产生闭囊壳[7]。小麦发病后病叶早枯发黄，当蔓延至茎和叶鞘时，会导致植株倒伏;感病后的植株蒸腾及呼吸作用会增强，光合作用效率降低，营养物质积累减少，最终影响小麦产量。

1.3 致病机理及防治小麦白粉病菌子囊孢子或分生孢子可借助气流传播，分生孢子具有寿命短暂且不耐高温等特点，只能附着在闭囊壳或次生麦苗上顺利越夏，越冬主要有两种形式：一是以分生孢子的形態;二是以菌丝体潜伏在宿主体内[8]。小麦拔节期开始发病，抽穗至灌浆时达到峰值，最终在乳熟期停止。从植株的下部开始发病，继续以水平方向扩散，后向上部蔓延[7]。化学防治主要为药剂拌种及田间施药，适当的田间辅助管理，小麦收割后铲除田间次生麦苗，通过合理密植来降低田间湿度，合理施用氮肥，适当增加施用磷钾肥和有机肥，提高植株抗病性。目前审定品种多数都不抗白粉病，这也成为小麦白粉病频发的原因，小麦抗白粉病品种的选育已成为最为经济、安全的措施[9]。

2 小麦白粉病的抗性研究及应用

2.1 小麦抗性基因的来源及定位 1930年首次报道了小麦Thew的抗白粉病基因，后续在普通小麦及其近缘种属中发现了多个抗性相关基因[10]。目前为止已有68个基因被命名（Pm1～Pm68），7个基因含有多个抗性位点Pm1、Pm2、Pm3、Pm4、Pm5、Pm8和Pm24，分别位于7A、5D、1A、4A、7B、1R和1D染色体上;8个新被挖掘的抗性基因Pm59、Pm58、Pm57、Pm56、Pm55、Pm62、Pm61、Pm60被分别成功定位于7AL、2DS、2S、6RS、T5VS·5AL、2VL、4AL染色体上[11]。小麦抗白粉病基因广泛分布在除3D和4D染色体外的染色体上（表1），主要来源普通小麦族及其近缘种属：小麦近缘种、普通小麦和小麦近缘属。在小麦近缘种属中簇毛麦的基因抗性较好，目前抗谱最广的白粉病抗性基因Pm21的抗病性在不同遗传背景下均能遗传[12]，由于抗性基因来源不同，抗性也有差异。

2.2 小麦白粉病基因的克隆随着现代生物技术及分子生物学的发展，新技术及方法被运用到植物基因克隆，部分小麦白粉病抗性基因被相继克隆。Pm21编码1个典型的CC-NBS-LRR蛋白[13];Pm60白粉病抗性位点定位到1个356kb的区域，包含2个核苷酸结合位点和富含亮氨酸的重复结构域的（NB-LRR））蛋白质编码基因[14];Pm24基因编码WTK3蛋白基因含有6bp缺失，首次发现两个激酶结构域串联具有白粉病抗病功能[15];Pm5e编码1个核苷酸结合域富含亮氨酸重复序列（NLR）蛋白，NLR基因G-A单核苷酸变（SNV）赋予Pm5e抗性[16];利用基因组BAC构建物理图谱和图位克隆，Pm41编码核苷酸结合位点和富含亮氨酸重复蛋白（CNL）[17]。通过基因定位，如有连锁群相应的区段，相应的克隆成功率会大大提高。

3 淮北麦区育种策略

江苏淮北地区是江苏省小麦高产区，常发性病害主要有小麦白粉病、叶锈病等，但因防治效果好未造成大的危害。据调查，2010年为江苏淮北地区小麦赤霉病大发生年[18]，给防治工作造成了较大的压力，为了避免病害的大暴发，优质抗病品种将会发挥重要作用。引起单个抗性基因抗性丧失是由于新的小麦白粉病生理小种克服对应的抗性基因。常规育种年限较长，导致小种专化抗性在育种上利用难度较大。结合分子辅助育种，选育和推广含抗谱较广的单个基因或者聚合多个抗病基因品种是大面积生产、高产、稳产的重要措施，对抗逆育种仍具有重要意义。

3.1 创新利用新种质资源种质是生物体由亲代传递到子代的遗传物质，基因支持着生命的基本构造和性能，种质资源存在于作物各类品种、品系、野生种及近缘植物中，广泛运用于农作物的改良[19]。在小麦主产区，高产、稳产的主要不利影响因素为综合抗病性差，尤其白粉病、锈病等病害的发生。来自黑麦1RS的抗病基因的丧失，导致小麦白粉及条锈在全国范围内流行，追溯原因为抗病基因资源单一[20]。参加国家和省区试的小麦整体抗性较差，存在病害流行的风险[21]。小麦育种因此迫切需要创制新的抗病种质资源，扩宽抗病基因的多样性，才能改变遗传抗原单一的现状。目前，小麦-簇毛麦种质创新，相继发现了Pm21、Pm55、Pm62、Pm67抗白粉病基因[22]，为后续育种应用提供新种质资源。

3.2 诱变、辐射育种小麦辐射诱变育种是小麦种质资源创新及优良品种选育的有效途径，从育种技术来看，诱变、辐射机理，有益突变频率较低及突变方向难以把握问题给目前育种工作带来了较大的盲目性[23]。大多育種工作者用辐射与常规杂交相结合，扩大了变异谱，增加有益突变率，创造出了大量不同类型的优良中间材料，大大提高了育种效率[24]。辐射及诱变的基础研究进一步深入，结合常规育种也将成为作物新品种选育的重要途经。

3.3 分子标记辅助选择基因聚合分子育种分子标记辅助选择是从分子水平分析遗传组成，从而实现对基因型的选择。常规育种聚合优良基因，选育周期较为漫长，将常规育种与分子标记相结合运用到多基因聚合育种，越来越引起育种工作者的重视，多个抗性基因聚合到同一植株，以此来达到提高持久抗性的目的[25]。分子标记与目标性状共分离或者紧密连锁，建立筛选群体，具有技术可重复、简便低耗、安全高效的特点[26]。小麦白粉病抗性基因中，Pm12、Pm13、Pm16、Pm20、Pm21、Pm30还表现较高抗病性，由于病原菌生理小种的变异，Pm1、Pm2、Pm3（Pm3a，Pm3c，Pm3f）、Pm4（Pm4b）、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8 等单个基因应用品种逐渐丧失抗性，但将它们聚合在一起利用仍可表现出较好的抗病性[27]。张增艳[28]利用小麦抗白粉病基因Pm4、Pm13、Pm21的特异扩增，成功选育出聚合Pm4b+Pm21+Pm13、Pm4b+Pm13、Pm13+Pm21、Pm4b+Pm21基因组合的抗病新材料;王心宇等[29]获得了聚合基因型Pm8+Pm21、Pm2+Pm4b、Pm4a+Pm21的抗白粉病植株。将相关基因聚合后，白粉病的抗性得到提高，也充分说明分子标记辅助聚合育种能够提高白粉病抗性，将成为抗病育种的重要方向。

4 讨论

由于白粉病病原菌生理小种的不断变异，若抗性基因抗谱基础狭窄，就难以应对复杂多变的生理小种。抗谱最为广泛的Pm21应用已接近20年[30]，在河北省和甘肃省多地出现了对Pm21有毒性的白粉病株，抗病基因单一将面对丧失抗性的风险[31-32]。刘志勇等[33]研究发现，我国小麦主推品种中抗白粉病基因遗传多样性狭窄，主要为Pm2、Pm4b、Pm21和Pm52等少数几个抗白粉病基因，面临极大的丧失抗性风险;许多具有优异抗性的抗白粉病基因如Pm5e、Pm12、Pm24、Pm26和Pm36等还未能得到有效的利用。小麦的近缘属可以作为小麦白粉病育种的有效育种资源，将含有Pm55与Pm67的遗传材料通过杂交聚合，得到全生育期抗白粉病材料[22]。利用分子育种元件创新选育了高产多抗优质新品系扬14214，兼抗赤霉病、白粉病、条锈病和叶锈病等4种病害[34]。

长江流域培育的品种抗病性较强，黄淮麦区和北方冬麦区参试品种也部分抗病，该麦区多为干旱地区，白粉病危害不严重，不同生态区域抗白粉病品种的频率与其发病程度和育种家选种目标有密切关系[35]。江苏淮北地区气候条件复杂，苏北灌溉总渠一线为中国暖温带和亚热带的分界线，同时沿海城市气候受海洋影响较大。近几年暖冬的常态化，尤其2019—2020年冬季气温过高，影响小麦生长较为明显，表现在植株增高，秋播过后积温高，小麦出叶速度快，小麦主茎叶片较往年增多[36]，土壤湿度较大，有助于白粉病菌越冬，为小麦白粉病发生创造了自然条件。针对江苏淮北地区生态气候特点，选择黄淮冬麦区和北方冬麦区如河北，山东，河南省份推广品种进行研究，挖掘抗白粉病较好的种质资源作为杂交组合的亲本选择已取得不错的成效。延荣等[37]对河北资源与品种抗白粉病分子标记检测发现，石麦14号、龙麦808、金禾9123含有抗谱较广的Pm21基因。刘汉良等[38]对山东省1998—2008小麦育成品种进行分析，抗白粉病（中抗至免疫）的品种有济麦22、良星99等16个。刘理森等[39]研究表明，济麦22和良星99含有Pm2，国麦301含有Pm21，对于E09和E20均表现免疫，推测可能因其系谱含有G883簇毛麦血统。邹景伟等[40]鉴定123份小麦的白粉菌菌株抗性，良星99抗80%的菌株，良星99含抗白粉病基因Pm52和Pm2，农大1108含有Pm2仅对E09表现抗性[39]，由此可见单一的Pm2基因广谱抗性较差，聚合Pm2与Pm52基因增加了小麦广谱抗性。因此，小麦白粉病抗病基因单一化，可能面对较大威胁，新抗性基因发现及利用，多个抗性基因聚合育种都将对育种工作具有重要意义。

黄淮冬麦区含有Pm21的推广品种较少，可能因为6VS整臂易位附带连锁不良的农艺性状。黄淮冬麦区避免大面积使用一个抗性基因，可以考虑多个基因聚合选育。另外新基因的有效利用可以借助常规育种实验室加代，小麦-玉米单倍体育种快速提纯，加快优异抗性基因运用到生产。利用分子标记选育小麦新品种具有诸多优势，但是随着时间的推移，一些生理小种出现了变异导致部分标记失效[41]。另外，部分育种家的一些遗传材料高度保密不共享，有意义的种质资源不能尽快地评价和利用[42]。因此，需要积极建立地方种质资源库，开展种质资源调查，保存地方品种，丰富抗性育种资源;要加强育种单位与高校合作，发挥各自的优势，促进新的育种新材料能够更快速地运用于生产上。

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