小麥已知抗白粉病基因在甘肅省的有效性及其在抗病育種中的利用價值

王萬軍++曹世勤++王曉明++黃瑾++孫振宇++張勃+++賈秋珍++金社林

摘要：2007—2014年，對收集到的44份已知抗白粉病基因載體品種在甘肅省的不同生態(tài)區(qū)進行了成株期抗病性監(jiān)測，結(jié)果表明：Pm1、Pm3、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8、Pm23、PmEra、Pm33在田間抗病性喪失，失去利用價值；Pm4a、Pm12、Pm13、Pm16、Pm18、Pm19、Pm2+Pm6、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8在各地田間抗病性分離，不宜應用或慎用；其余抗病基因（組合）在田間抗性表現(xiàn)較好，在今后的育種工作中應充分加以利用。本研究還對抗病基因的來源及抗病基因下一步有效利用等問題進行了討論。

關(guān)鍵詞：小麥白粉病；抗病基因；有效性；評價

中圖分類號： S512.103.4；S435.121.4+6文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0187-03

收稿日期：2015-01-21

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201303016）；國家自然科學基金（編號：31360433）。

作者簡介：王萬軍（1972—），男，甘肅甘谷人，助理農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)作物病蟲害防控技術(shù)研究。E-mail：843223350@qq.com。

通信作者：曹世勤，博士，研究員，主要從事農(nóng)作物病蟲害防控技術(shù)研究。E-mail：caoshiqin6702@163.com。由專性寄生菌布氏白粉菌[Blumeria graminis （DC.） E. O. Speer]引起的小麥白粉病是危害我國小麥的最主要病害之一[1]。從20世紀90年代初期開始，由于含有抗病基因Pm8的生產(chǎn)品種及抗源材料在生產(chǎn)及育種上的廣泛應用，造成對Pm8有毒性的Avr8在白粉菌群體中逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位，引致攜帶黑麥血緣（1BL/1RS）的品種在生產(chǎn)上喪失抗白粉病性，導致小麥白粉病于1990年和1991年連續(xù)2年在全國范圍內(nèi)大面積發(fā)生[2]。在甘肅省及天水市，該病也先后多年發(fā)生流行[3-4]，造成了嚴重的產(chǎn)量和經(jīng)濟損失。目前在甘肅省小麥白粉病常年發(fā)生面積保持在40.0萬hm2以上，嚴重威脅著小麥生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展。

采用化學防治措施雖然在短期內(nèi)可取得較好的效果，但浪費了巨大的人力、物力和財力，而且對環(huán)境還將會造成一定的污染。多年的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，種植抗病品種是防治該病最經(jīng)濟有效且有利于保護環(huán)境的措施。在抗白粉病基因有效性研究方面，自20世紀90年代始，國內(nèi)諸多學者開展了已知基因載體品種抗病性評價工作，明確了已知基因在當?shù)氐挠行訹5-9]。由于各地小麥白粉病菌群體毒性結(jié)構(gòu)復雜，病菌群體毒性基因的組成在各地具有較大差異[10]，因此抗病基因在各地的田間抗病性表現(xiàn)也不盡相同。甘肅省于20世紀末開展了已知基因有效性評價工作[5]，但從近年來病菌群體毒性結(jié)構(gòu)看，由于抗源材料和生產(chǎn)品種在生產(chǎn)上應用的變化，引致病菌群體也較原來有了一定程度的變化。進一步明確已知基因載體品種的有效性，特別是成株期有效性，將會指導其在抗病育種上的有效利用，體現(xiàn)其在抗病育種中的利用價值，為有效指導抗白粉病育種和抗病基因的合理布局，持續(xù)控制甘肅省小麥白粉病的發(fā)生流行提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1供試材料

44個已知抗白粉病基因載體品種來自甘肅省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所小麥病害課題組，其所含抗白粉病基因見表1。

1.2試驗方法

自2007年開始，在甘肅省不同生態(tài)區(qū)的甘肅省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所甘谷試驗站（海拔1 270 m，A）、甘谷縣新興鎮(zhèn)五甲莊鐵路南（海拔1 270 m，B）、甘谷縣白家灣鄉(xiāng)東三十里鋪村（海拔1 680 m，C）、甘谷縣古坡鄉(xiāng)魏家坪村（海拔 1 920 m，D）、天水市秦州區(qū)汪川良種場（海拔1670 m，E）、隴南市成縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心（海拔1 220 m，F(xiàn)）、隴南市武都區(qū)東江隴南市農(nóng)業(yè)科學研究所（海拔980 m，G）、定西市臨洮農(nóng)業(yè)學校（海拔1880 m，H）、臨夏州農(nóng)業(yè)科學研究所（海拔 2 060 m，I）、平?jīng)鍪星f浪縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心南湖試驗站（海拔1 790 m，J）、平?jīng)鍪徐o寧縣種子管理站（海拔1 850 m，K）和白銀市景泰縣草窩灘鎮(zhèn)長城村（海拔1 420 m，L）等12個試驗點設(shè)置病圃。各試驗點中，A、B、F、G試驗點代表甘肅隴南麥區(qū)低海拔川道區(qū)，C、E試驗點代表甘肅隴南麥區(qū)半山區(qū)，D試驗點代表甘肅隴南麥區(qū)高山區(qū)，H、I試驗點代表甘肅中部麥區(qū)冬春麥混作區(qū)，J試驗點代表甘肅隴東干旱麥區(qū)，K試驗點代表春季播種區(qū)。

冬季播種于每年9月中旬至10月下旬在各試驗點進行，春季播種于當年3月中旬進行。每品種每試驗點播種1行，行長1 m，行距30 cm，每20行種植1行感病品種輝縣紅或Chancellor作為發(fā)病對照，病圃四周再播種2～3行感病品種作為保護行和誘發(fā)行，于當年小麥白粉病發(fā)病的高峰期（5月中旬至7月上旬），按照0～9級標準[11]，進行逐品種調(diào)查記載。其中0級為免疫；1～2級為高抗，3～4級為中抗，5～6級為中感，7～8級為高感，9級為極感。

1.3數(shù)據(jù)分析

為分析方便，按照0和1標準，將田間病級0～4級劃分為0，5～9級級劃分為1。利用Excel 2003和DPS 3.01軟件，進行系統(tǒng)聚類分析。

2結(jié)果與分析

2.1田間抗病性評價

由表1結(jié)果可見，Pm1、Pm3、Pm5、Pm6、Pm7、Pm8、Pm23、PmEra、Pm33在甘肅各地田間總體抗病性較低，失去利用價值。Pm4a、Pm12、Pm13、Pm16、Pm18、Pm19、Pm2+Pm6、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8在甘肅隴南、中部、隴東干旱麥區(qū)及沿黃灌區(qū)春麥區(qū)田間抗病性差異較大，部分基因（組合）在當?shù)乜共⌒韵鄬^低，對其的利用要針對當?shù)乜共⌒赃M行。其余基因（組合）抗病性較好，可在育種及生產(chǎn)中充分利用。

2.2聚類分析

由圖1結(jié)果看出，在λ=0.85時，將已知基因載體品種劃分為2個大的類群，其中感病點率≥4為一類群，感病點率<4為另一類群。在λ為0.8以下時，又劃分為多個小的類群。

3結(jié)果與討論

3.1抗病基因來源

截至目前，國際上已先后命名了60個小麥白粉病抗性基因（包括復等位基因），還有20余個尚未命名的新基因。在這些基因中，一類來自普通小麥，主要有Pm1、Pm3、Pm5、Pm9、Pm10、Pm11、Pm14、Pm22、Pm23、Pm24等；一類來自小麥近緣種，如栽培（野生）一粒小麥、斯卑爾脫小麥、栽培（野生）二粒小麥、波斯小麥、提莫菲維小麥等，主要有Pm1b、Pm1d、Pm4a、Pm4b、Pm6、Pm16、Pm18等；第3類來自小麥近緣屬如黑麥、擬斯卑爾脫山羊草、高大山羊草、粗山羊草、簇毛麥等，主要有Pm7、Pm8、Pm12、Pm13、Pm20、Pm21等。在這些已定名的、在國內(nèi)有大量種質(zhì)材料的基因載體品種中，Pm9沒有單獨的載體，Pml0，Pmll、Pml4和Pml5是抗偃麥草白粉病的專化抗性基因，不抗小麥白粉病，在生產(chǎn)上沒有利用價值，Pml7抗譜狹窄，利用價值不大。

3.2熱門抗病基因在抗病育種中的應用及在病害流行中的風險

小麥白粉病菌具有有性生殖階段，且病菌適應范圍廣，因此病原菌毒性群體結(jié)構(gòu)豐富，毒性變異快。在生態(tài)條件和溫濕度條件適合的甘肅隴南，白粉病菌毒性變異更是如此。如自20世紀80年代中期開始含有黑麥血緣的骨干抗源材料牛朱特、高加索、阿芙樂爾和洛夫林在甘肅隴南抗病育種中的廣泛利用，引致對Pm8有毒性的Avr8毒性頻率的快速上升，造成含有這些骨干親本血緣的子代材料抗病性喪失，造成小麥白粉病的大流行。自20世紀90年代中期以來，由于來自簇毛麥血緣的、以南農(nóng)92R為代表的、對國內(nèi)諸多白粉病菌均表現(xiàn)免疫的Pm 21在抗病育種中的廣泛利用，國內(nèi)育種單位以此為骨干親本，先后選育出蘭天24、蘭天17、中梁29、內(nèi)麥9號、內(nèi)麥10 號、內(nèi)麥11號等多個品種，在生產(chǎn)上廣泛應用。熱門抗源材料的過度利用或其衍生材料的大面積推廣種植，必將加速白粉病菌定向選擇的部分，產(chǎn)生對該基因有毒性的新的白粉病菌致病菌系，導致抗病基因抗性喪失而失去利用價值。同時對含有這些基因的生產(chǎn)品種造成巨大威脅，有可能引致小麥白粉病再一次在甘肅省及全國范圍內(nèi)的大流行。近年來的監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘肅省小麥白粉病菌對Pm21的毒性頻率已由20世紀初的0上升為2009年的20.8%。這與育種及生產(chǎn)上大面積推廣種植含有這些抗病基因的品種（系）有很大關(guān)系。因此若條件適宜，小麥白粉病必將在甘肅省及全國范圍內(nèi)大面積流行，應引起育種和生產(chǎn)部門的高度關(guān)注。在今后的工作中，應進一步加強抗白粉病的育種和抗病品種推廣工作，充實甘肅省抗病基因豐富度和抗病品種遺傳多樣性，以解除潛在的危機[12]。

同時研究發(fā)現(xiàn)，近年來由于抗源及種植品種的改變，造成甘肅部分抗病基因（組合）Pm4a、Pm4b+Pm5、Pm4+Pm8等抗病性變異明顯[5，13]，由原來的抗病變?yōu)楫斍案胁?，逐步失去利用價值。

多基因組合品種對于小麥白粉病的防治十分有效，進行抗病基因的有效聚合，將會延長品種使用年限，提高抗病基因（組合）的利用價值。如Bennet研究發(fā)現(xiàn)，Maris Huntsman（Pm2+Pm6）在英國種植多年，抗白粉病仍然保持較好，就是一個很好的例證[14]。因此育種部門應盡可能利用抗源材料通過基因累加，盡快將抗譜上互補的基因進行聚合，同時借助分子生物學技術(shù)，進行輔助育種，才有望培育出較為持久的抗性品種。

3.3成株期多年多點鑒定在抗病基因利用中的作用

已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘肅生態(tài)條件復雜，各生態(tài)區(qū)病菌毒性結(jié)構(gòu)不一。因此僅在一地或單年進行抗病性變異監(jiān)測，不能準確評價抗病基因的抗病性狀況，同時不能準確、及時地監(jiān)測到品種抗性變異信息。不能及時指導抗病品種及抗源材料利用，對指導抗病育種工作和抗病品種的合理布局不能起到較好的指導意義。

3.4 抗病性監(jiān)測與聚類分析相結(jié)合在生產(chǎn)實踐中的意義

本試驗將基因抗病性監(jiān)測與聚類分析相結(jié)合，可更好地評價基因的有效性。為豐富和實現(xiàn)甘肅省小麥品種抗白粉病基因的多樣化，生產(chǎn)和育種中可依據(jù)供試品種（系）連鎖距離的不同，在不同生態(tài)區(qū)進行品種合理搭配、布局并進行抗病育種，為小麥白粉病的持續(xù)控制和抗病品種的更好利用打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]李迅，肖悅巖，劉萬才，等. 小麥白粉病地理空間分布特征[J]. 植物保護學報，2002，29（1）：41-46.

[2]段霞瑜. 歐洲小麥白粉菌的毒性監(jiān)測和抗病基因的利用[J]. 植物保護，1994，20（3）：36-38.

[3]盧凱潔. 天水市小麥品種系抗白粉病性鑒定[J]. 中國植保導刊，2004，24（4）：16-18.

[4]曹世勤，駱惠生，金明安，等. 2010年甘肅隴南麥區(qū)小麥白粉病發(fā)生特點及防控策略[J]. 中國植保導刊，2011，31（11）：24-26.

[5]李繼平，金社林，曹世勤，等. 小麥抗白粉病基因在甘肅的有效性及評價[J]. 植物保護學報，2003，30（1）：30-34.

[6]郭愛國，程玉河，楊文香，等. 小麥白粉病抗性基因在河北省的有效性研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學學報，1991，14（4）：72-75.

[7]武英鵬，原宗英，李穎，等. 小麥白粉病抗性基因在山西省的有效性評價[J]. 麥類作物學報，2009，29（6）：1105-1109.

[8]段雙科，許育彬，吳興元.小麥白粉病菌致病毒性和抗病基因及抗病育種研究進展[J]. 麥類作物學報，2002，22（2）：83-86.

[9]李隆業(yè)，黃元江. 小麥白粉病已知抗性基因的效應及評價[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，1990，23（3）：20-26.

[10]段霞瑜，周益林，盛寶欽. 我國主要麥區(qū)白粉菌毒性現(xiàn)狀[M]. 北京：技術(shù)出版社，1998：246-249.

[11]盛寶欽. 用反應型記載小麥白粉病“0-9級法”的改進[J]. 北京農(nóng)業(yè)科學，1991，9（1）：8-9.

[12]曹世勤，駱惠生，武翠平，等. 甘肅省主要小麥生產(chǎn)品種（系）及抗源材料抗白粉病基因推導分析[J]. 作物學報，2010，36（12）：2107-2115.

[13]曹世勤，郭建國，駱惠生，等. 甘肅小麥白粉病抗源材料的篩選及抗病基因庫的組建[J]. 植物保護，2008，34（1）：49-52.

[14]Bennet F G A.Resistance to powdery mildery in wheat：a review of its use in agriculture and breeding programes[J]. Plant Pathology，1984，33：279-300.