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    利用分子標(biāo)記輔助選擇改良常規(guī)早稻鄂早18稻瘟病抗性

    2015-12-18 20:19:48涂軍明游艾青呂銳玲周雷曹志剛張紹安陳杰
    湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年22期
    關(guān)鍵詞:株系早稻親本

    涂軍明 游艾青 呂銳玲 周雷 曹志剛 張紹安 陳杰

    摘要:以含廣譜稻瘟病抗性基因Pi-1和Pi-2的GD-1為供體,常規(guī)早稻鄂早18為受體,通過雜交和回交并結(jié)合分子檢測,將Pi-1和Pi-2基因聚合到鄂早18中,獲得9個攜帶兩個抗性基因的純合改良株系。通過11個典型稻瘟病菌株進(jìn)行混合接種鑒定,結(jié)果表明改良株系的稻瘟病的抗性大都達(dá)到中抗到抗的水平。通過對改良株系和對照鄂早18農(nóng)藝性狀考察,導(dǎo)入Pi-1和Pi-2兩個基因?qū)ζ渲饕r(nóng)藝經(jīng)濟(jì)性狀無顯著影響。本研究為進(jìn)一步選育出抗稻瘟病的早稻新品種積累了抗性親本材料(Pi-1/Pi-2)和分子改良育種的經(jīng)驗(yàn)。

    關(guān)鍵詞:分子標(biāo)記輔助選擇;Pi-1;Pi-2;稻瘟病;抗性改良

    中圖分類號:S511.032 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:0439-8114(2015)22-5515-05

    Abstract: The GD-1 containing two blast resistance genes Pi-1 and Pi-2 was used as gene donor to be crossed and then backcrossed with gene receptor Ezao 18 and through molecular detection, polymerizing genes Pi-1 and Pi-2 with Ezao 18, 9 homozygous improved strains with Pi-1 and Pi-2 were gathered. Through the mixed inoculation identification by using 11 typical rice blast strains, the results showed that the rice blast resistance of improved strains mostly were from medium resistant to resistant. Comparing the agronomic traits of improved strains and Ezao 18, the main agronomic traits have no significant difference after implanting genes Pi-1 and Pi-2. Through the identification, experiences of Parent material and improved molecular breeding were accumulated for further selecting and breeding new varieties of the early rice resistant to rice blast.

    Key word: molecular marker-assisted selection; Pi-1; Pi-2; rice blast; resistance improvement

    早稻大部分為秈稻,是中國的主要儲備用糧,具有重要的戰(zhàn)略意義。長江流域是中國主要的早稻生產(chǎn)區(qū),常年早稻播種面積為533萬hm2左右[1],為維護(hù)國家糧食安全做出了突出貢獻(xiàn)。近些年來,由于生產(chǎn)上應(yīng)用的絕大部分早稻品種對稻瘟病缺乏抗性或抗性較差,如兩優(yōu)287、兩優(yōu)42、金優(yōu)402等,加上近幾年連續(xù)多年(7月)的高溫陰雨天氣,早稻稻瘟病的發(fā)生逐年加重,常常流行成災(zāi),成為當(dāng)前制約早稻生產(chǎn)的主要因子之一[2]。2009年湖北團(tuán)風(fēng)縣相當(dāng)一部分早稻暴發(fā)穗頸瘟和葉瘟而導(dǎo)致減產(chǎn)嚴(yán)重[3]。實(shí)踐證明,培育與種植抗病品種是最經(jīng)濟(jì)有效的防治稻瘟病措施。選育抗稻瘟病的早稻品種也成為當(dāng)前湖北省水稻育種工作者的主要育種目標(biāo)之一。

    近年來,隨著分子生物學(xué)研究的不斷發(fā)展,水稻基因圖譜的日趨完善,植物育種已進(jìn)入分子生物技術(shù)與傳統(tǒng)常規(guī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的第三次突破階段[4]。隨著分子標(biāo)記技術(shù)在抗稻瘟病育種中應(yīng)用的不斷加快,育種進(jìn)程大大縮短,準(zhǔn)確性和選擇效率不斷提高,不久的將來水稻育種取得的重大突破一定是在抗病育種方面。分子標(biāo)記輔助選擇(MAS,marker assisted-selection)是當(dāng)前進(jìn)行水稻抗病育種所廣泛采用的行之有效的方法。目前,雖然對一些水稻材料通過MAS導(dǎo)入了抗稻瘟病基因也有報道,但早稻材料幾乎未看到;省內(nèi)育種同行專家在改良早秈型不育系9802S上也做了大量的工作,但距離生產(chǎn)上的大面積應(yīng)用還需要一定時間。針對目前長江流域生產(chǎn)應(yīng)用上的絕大部分早稻品種對稻瘟病缺乏抗性,本研究緊密結(jié)合水稻育種實(shí)踐工作,選擇生產(chǎn)上正在大面積應(yīng)用的常規(guī)早秈稻鄂早18進(jìn)行抗性改良,通過分子標(biāo)記輔助選擇和常規(guī)育種手段(雜交、回交、系統(tǒng)選擇法等),同時導(dǎo)入目前已知的兩個顯性廣譜高抗稻瘟病基因Pi-1(來源于西非利比亞粳稻品種LAC23)和Pi-2(哥倫比亞秈稻品種5173)[5,6],并通過田間接種鑒定,篩選出田間表現(xiàn)中抗稻瘟病以上的中間材料,再通過選擇得到較穩(wěn)定的抗稻瘟病早稻材料,進(jìn)一步選育出能夠通過省級以上審定的抗稻瘟病的新品種或組合,以期為長江流域早稻生產(chǎn)提供抗病良種,為實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)和農(nóng)民增收服務(wù)。

    1 材料與方法

    1.1 水稻材料

    含目標(biāo)基因Pi-1、Pi-2的供體親本GD-1由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所游艾青老師提供,受體親本為目前生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的常規(guī)早秈稻品種鄂早18[7],種子由黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供。

    1.2 連鎖標(biāo)記及引物

    研究表明,稻瘟病抗性基因 Pi-1定位在水稻第11號染色體上,Pi-2定位在水稻第6號染色體上。通過查閱文獻(xiàn)和SSR標(biāo)記篩選,本研究選取的與基因Pi-1緊密連鎖的分子標(biāo)記為RM5766(MRG4766)[8],與基因Pi-2緊密連鎖的分子標(biāo)記為S29742[9]。引物序列由上海生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成(表1)。endprint

    1.3 分子檢測

    所有研究材料分別在湖北黃岡和海南陵水種植,采用簡易SDS抽提法提取水稻幼嫩葉片DNA。PCR 擴(kuò)增反應(yīng)體系為15 μL,具體見表2。PCR 擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,退火(根據(jù)不同的引物來設(shè)定具體溫度,一般在 55~60 ℃之間)30 s,72 ℃延伸1 min,共35個循環(huán);72 ℃延伸10 min,全部過程完成后,擴(kuò)增產(chǎn)物在4 ℃保存。在PCR擴(kuò)增完成后的模板中加入少量的溴粉蘭作指示劑,即可用于電泳。對于弱多態(tài)的引物,用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳,1.0~1.5 h拆板后用超純水漂洗10 s,放入銀染盆染色8 min,再用超純水漂洗10 s,放入顯色盆顯色8 min,用超純水漂洗10 s后晾干,最后讀膠并照相保存。對于多態(tài)性較明顯的引物可用1%左右的瓊脂糖凝膠電泳,制膠后點(diǎn)樣5~7 μL,電泳過程中,可用手提式紫外分析儀觀察膠長,20~30 min后在凝膠成像儀下讀膠并拍照保存[10,11]。

    1.4 分子改良技術(shù)路線

    2010年夏,在湖北黃岡以鄂早18為母本,與供體親本GD-1雜交,得到F1代種子。2011年4月,在海南陵水以受體親本為母本與F1代回交得到BC1F1種子。2011年夏在湖北黃岡對BC1F1單株分別進(jìn)行分子標(biāo)記檢測,選擇聚合2個不同抗性基因的單株,以受體親本為母本進(jìn)行回交得到BC2F1代種子。2012年春季在海南陵水回交得到BC3F1代種子。2012年夏在湖北黃岡選擇聚合2個不同抗性基因雜合的單株繼續(xù)回交,并在幼穗分化第五期進(jìn)行注射接種鑒定,繼續(xù)選擇綜合性狀優(yōu)良的抗稻瘟單株。2013年、2014年繼續(xù)依次進(jìn)行并選擇綜合性狀優(yōu)良的抗稻瘟單株[12],技術(shù)路線如表3所示。

    1.5 抗病性鑒定

    主要采取人工接種鑒定,稻瘟病鑒定菌株為國家區(qū)試稻瘟病抗性鑒定的7種標(biāo)準(zhǔn)菌株:ZA、ZB、ZC、ZD、ZE、ZF、ZG[13],由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所提供原始菌樣;再加上黃岡采集樣品分離的稻瘟病菌株TF-1、TF-2(來自團(tuán)風(fēng)縣發(fā)病點(diǎn))和XS-1、XS-2(來自浠水縣發(fā)病點(diǎn)),總共11個菌株。接種時把所有致病菌株均勻混合在一起注射接種。在水稻幼穗分化4~6期接種,接種部位為倒三葉葉腋下2~3 cm處,即水稻打苞時最凸起的位置,時間最好在陰雨天或16:00以后(25~27 ℃較好)。接種時事先配好混合病菌,利用5或10 mL的醫(yī)用小針頭注射器,將孢子懸浮液注入植株莖稈的中央空心部位,每株接種2 mL左右的菌液,接種時以看見心葉葉鞘頂端有水滴冒出為準(zhǔn)。為確保能夠發(fā)病和試驗(yàn)調(diào)查的準(zhǔn)確,一般每個單株接種2~3個分蘗穗。每個分蘗穗接種后,在劍葉或者倒數(shù)第2片葉上系個結(jié),做為標(biāo)記,便于以后調(diào)查發(fā)病情況[14]。

    1.6 農(nóng)藝性狀考察

    2014年早季,利用導(dǎo)入了Pi-1與Pi-2基因的抗病株系與受體親本材料(作對照)分別種植于黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院基地,按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,3次重復(fù)。常規(guī)水肥管理,成熟后取樣考查株高、穗數(shù)、穗長、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、生育期、產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 多態(tài)性分析

    用幼嫩葉片提取DNA,再利用與2個抗性基因Pi-1及Pi-2連鎖的分子標(biāo)記對基因供體親本GD-1與受體親本鄂早18進(jìn)行多態(tài)性分析。然后通過查閱文獻(xiàn),根據(jù)已經(jīng)定位水稻染色體上的SSR標(biāo)記,在對與Pi-1緊密連鎖的SSR標(biāo)記RM244、RM5766[8]和Pi-2標(biāo)記AP22、RM527、RM3330、S29742[9]等篩選中,分別發(fā)現(xiàn)Pi-1標(biāo)記RM5766、Pi-2標(biāo)記S29742在供體親本與受體親本鄂早18間有明顯多態(tài)性,說明利用RM5766、S29742分別對Pi-1和Pi-2基因進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇改良是完全可行的。

    2.2 各世代的分子標(biāo)記選擇過程

    2010年夏,用鄂早18與供體親本GD-1雜交,得到雜交種102粒。2011年春季于海南用鄂早18作母本與雜種F1代回交。2011年夏在黃岡種植BC1F1共159株,分別利用SSR標(biāo)記RM5766和S29742對 Pi-1和Pi-2 基因同時進(jìn)行檢測,篩選出雙陽性植株27株。從中選擇5株農(nóng)藝性狀優(yōu)良且接近鄂早18的雙陽性單株與鄂早18回交,得到種子210粒。2012年春季繼續(xù)在海南種植BC2F1共110株,利用SSR標(biāo)記進(jìn)行選擇,得到雙陽性單株28株,對其中20株進(jìn)行田間稻瘟?。ㄋ腩i瘟)接種鑒定,選擇9株農(nóng)藝性狀優(yōu)良、抗性較好且性狀接近鄂早18的雙陽性單株與鄂早18回交,得到種子245粒。2012年夏在黃岡種植BC3F1植株139株,分別利用SSR標(biāo)記進(jìn)行檢測,得到BC3F1雙陽性單株24株,并從中選擇農(nóng)藝性狀優(yōu)良且接近鄂早18的單株繼續(xù)回交得到BC4F1種子216粒,并選取5株于2012年海南種植BC3F2。至2014年春季,分別得到農(nóng)藝性狀較一致且接近鄂早18的BC3F4單株4個、BC4F3單株5個。部分基因檢測結(jié)果見表4和圖1。

    2.3 改良株系(單株)接種鑒定效果分析

    由于穗頸瘟最常見,也往往對產(chǎn)量產(chǎn)生最直接和嚴(yán)重的影響,本研究將其作為抗性鑒定的重點(diǎn)。從回交世代開始,就進(jìn)行人工接種(混合)鑒定,選擇分子檢測為雙陽性單株且達(dá)到中抗以上水平的單株進(jìn)行回交。2013年春季在海南育種基地,從幼穗分化第五期開始,分別對選擇的BC3F4共4個株系和BC4F3共5個株系的雙陽性株系群體進(jìn)行穗頸稻瘟病抗性接種鑒定,接種結(jié)果見表5。由表5可知,受體親本鄂早18表現(xiàn)為高感(HS),供體親本GD-1表現(xiàn)為抗(R);經(jīng)過改良的株系,同時導(dǎo)入Pi-1和Pi-2兩個抗病基因的植株,其對稻瘟病的抗性大都表現(xiàn)出中抗(MR)到抗的水平,說明累積這兩個基因的株系對稻瘟病有較好的抗性,本研究也達(dá)到了稻瘟病抗性改良的目的。endprint

    2.4 抗稻瘟病改良株系與受體親本主要農(nóng)藝性狀的對比分析

    2014年在湖北黃岡育種基地,以鄂早18作為對照,將選擇的9個改良株系分3次重復(fù),通過隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,考查株高、穗數(shù)、穗長、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、產(chǎn)量、生育期等農(nóng)藝性狀,進(jìn)行對比分析(表6)。由表6可知,9個改良株系與對照鄂早18在農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)性狀等方面沒有明顯差異,說明改良株系仍然保留了供體親本材料的優(yōu)良性狀,導(dǎo)入Pi-1和Pi-2兩個基因后對其雜種后代主要農(nóng)藝經(jīng)濟(jì)性狀無顯著影響。改良株系在株高性狀方面普遍矮于親本,而生育期普遍要長于親本,這可能在一定程度上受到供體親本基因的影響。

    3 小結(jié)與討論

    獲得9個帶有抗性基因Pi-1和Pi-2的純合改良株系,比原始鄂早18稻瘟病抗性大幅度提高;改良株系保留了供體親本材料的優(yōu)良性狀,導(dǎo)入Pi-1和Pi-2兩個基因后對其主要農(nóng)藝經(jīng)濟(jì)性狀無顯著影響。本研究為培育出抗稻瘟病的早稻親本材料(Pi-1/Pi-2)及早稻新品種奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

    3.1 關(guān)于分子標(biāo)記輔助選擇在水稻抗稻瘟病育種中的應(yīng)用

    利用分子輔助選擇進(jìn)行抗性改良已經(jīng)成為目前水稻育種最常用的手段之一,但分子標(biāo)記技術(shù)不是萬能的,要想獲得良好的持久抗性,需要利用多途徑、多手段以及傳統(tǒng)育種方法進(jìn)行全面選擇,最終形成品種到大田應(yīng)用,還需育種家進(jìn)行規(guī)范化的品種篩選和嚴(yán)格的試驗(yàn)示范工作[15,16]。當(dāng)前,隨著分子標(biāo)記輔助選擇各項(xiàng)技術(shù)研究的不斷深入,水稻抗稻瘟病改良近幾年來也取得一些成績,廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所就利用分子標(biāo)記輔助選擇相繼選育出一些抗性較好的不育系、恢復(fù)系材料和品種組合,自2010年以來湖北省區(qū)試中也陸續(xù)出現(xiàn)一些利用分子育種技術(shù)選育的稻瘟病抗性較好的新品種,但對于如何能夠選育出綜合性狀都十分優(yōu)良的大面積推廣應(yīng)用的抗稻瘟病品種,還存在許多現(xiàn)實(shí)的問題,如抗性、高產(chǎn)和米質(zhì)以及其他優(yōu)良性狀如何有機(jī)融合的問題、稻瘟病生理小種不斷變化的問題、抗病性的鑒定問題等,但是有理由相信,隨著分子標(biāo)記技術(shù)研究不斷進(jìn)步和新抗性基因的精細(xì)定位,以及抗病檢測手段的不斷創(chuàng)新,利用分子輔助選擇進(jìn)行抗稻瘟病育種必將翻開新篇章[17-19]。

    3.2 選擇合適的稻瘟病抗性鑒定方法

    利用分子標(biāo)記輔助選擇只是進(jìn)行抗性改良的第一步,由于不同品種遺傳背景的不同以及稻瘟病生理小種的多樣性,要達(dá)到良好的抗性效果必須結(jié)合田間稻瘟病抗性接種鑒定。對稻瘟病的接種鑒定國家很早就制定了相應(yīng)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)和鑒定方法,目前在實(shí)踐工作中最廣泛應(yīng)用的主要有兩種,一種是對葉瘟的噴霧接種和對穗頸瘟的注射接種,主要是人工操作;另一種是在常年自然發(fā)病地區(qū)的小氣候條件下,通過種植誘發(fā)品種進(jìn)行自然接種鑒定[20]。這兩種方法各有利弊。人工接種鑒定方法可以同時對多個稻瘟病菌株進(jìn)行接種,還可以采集培養(yǎng)當(dāng)?shù)厣硇》N菌株進(jìn)行有針對性的接種,且環(huán)境條件、發(fā)病因素可控性較強(qiáng),接種的單株發(fā)病一般都較為理想,但劣勢是對試驗(yàn)條件要求高、工作量較大,菌株培養(yǎng)費(fèi)時費(fèi)力,致病菌株種類少、過程短,群體發(fā)病不理想。自然誘發(fā)鑒定的操作過程相對簡單,通過誘發(fā)品種的感染,供試植株在自然條件下自然發(fā)病,稻瘟病菌株生理小種種類多、致病過程長,可全生育期覆蓋,群體發(fā)病較理想,但劣勢是發(fā)病條件不可控,有的年份發(fā)病好,有的年份發(fā)病不理想,有的植株或群體發(fā)病,有的不發(fā)病但不表示一定抗病,偶然性較大。如何提高抗稻瘟病接種鑒定的準(zhǔn)確性是進(jìn)行抗稻瘟病改良育種的關(guān)鍵因素。

    因?yàn)椴僮鬟^程相對要簡單得多,很多研究者采用的是在苗期對葉瘟進(jìn)行接種鑒定,且很多研究證明了導(dǎo)入抗性基因的植株對葉瘟抗性也較好。但目前還沒有相關(guān)研究能夠清楚地證明葉瘟與穗頸瘟有一定的對應(yīng)關(guān)系,且近幾年穗頸瘟在實(shí)際大田生產(chǎn)中發(fā)病越來越重、危害也越來越大,而葉瘟危害相對較小。因此,本試驗(yàn)以人工接種穗頸瘟鑒定為主,每年在湖北黃岡當(dāng)?shù)睾秃D匣貙υ囼?yàn)材料進(jìn)行人工接種兩次,每次發(fā)病情況都有一定不同??傮w來看,人工注射接種時海南基地效果要比湖北黃岡當(dāng)?shù)亟臃N效果要好,而且在不同氣候條件接種時效果差異很大。究其原因,發(fā)現(xiàn)溫度成為主要發(fā)病限制因子,接種當(dāng)天至次日最高溫度低于27 ℃(高于22 ℃)時效果一般較好,陰雨天比晴天接種效果要好。在海南2月中下旬氣溫常年在20~26 ℃,注射接種效果一般都很好;在湖北黃岡當(dāng)?shù)?月份陰雨天接種時效果也很好。對葉瘟的噴霧接種由于試驗(yàn)過程相對簡單,易于操作,效果一般都較好。在進(jìn)行抗稻瘟病育種時,將噴霧接種和注射接種有機(jī)結(jié)合起來,選擇合適的氣候條件進(jìn)行人工接種鑒定,對開展稻瘟病全生育期抗性育種會有很大的輔助作用[21]。

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    (責(zé)任編輯 韓 雪)endprint

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