燕麥抗麥二叉蚜種質(zhì)鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)綜述

趙彤　郭建國(guó)

摘要：通過對(duì)麥二叉蚜生物型、燕麥種質(zhì)資源對(duì)麥二叉蚜的排趨性、抗生性和耐害性鑒定、組合配置以及雜交后代群體抗性基因標(biāo)記定位研究的分析，對(duì)燕麥抗蚜性鑒定技術(shù)、燕麥抗蚜機(jī)制、燕麥耐蚜性鑒定、燕麥抗性基因的分子標(biāo)記等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述，旨在為燕麥抗蚜種質(zhì)創(chuàng)制提供思路，解決單基因抗蚜品系應(yīng)用麥二叉蚜分化新生物型的問題。

關(guān)鍵詞：燕麥；麥二叉蚜，鑒定評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S433.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2017）06-0064-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.022

Identification and Evaluation Techniques of Germplasm of

Schizaphis graminum on Oats

ZHAO Tong 1， GUO Jianguo 2

（1. Gansu Agricultural Information Center， Lanshou Gansu， 730000， China； 2. Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：The research progress of oat aphid resistance identification technology， oat aphid resistance mechanism， oat aphid resistance identification and molecular markers of oat resistance genes are reviewed， thought biotypes of Schizaphis graminum， identification of antixenosis and antibiosis and tolerance of Oat Germplasm on Schizaphis graminum， and analysis on Mapping of population resistance gene markers in Hybrid Progenies. aimed to provide ideas for Oat Germplasm Resistant aphid， to solve the problem of differentiation of new biotypes of single gene aphid resistance lines with Schizaphis graminum.

Key words：Oats；Schizaphis graminum；Identification and evaluation

燕麥?zhǔn)呛瘫究蒲帑湆僖荒晟Z飼兼用草本植物，具有抗旱耐瘠與抗寒、耐鹽等特性，是農(nóng)業(yè)脆弱生態(tài)區(qū)生產(chǎn)力恢復(fù)與畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展的必需作物。通常按外稃有無分為帶稃型和裸粒型2種，按染色體組分為二倍體、四倍體和六倍體3種類型。全球北緯35～60° 有40多個(gè)國(guó)家種植的燕麥以皮燕麥為主，而我國(guó)由于是大粒裸燕麥的起源地[1 ]，栽培上以裸燕麥為主，常年種植面積約100萬hm2，主要分布于華北的冀、晉、蒙和西北六盤山麓的陜、甘、寧及西南地區(qū)的云、貴、川高寒山區(qū)。甘肅是中國(guó)西部?jī)?nèi)陸干旱省份，東南至西北降雨量依次遞減，氣候呈現(xiàn)東南濕潤(rùn)、中部干旱和西北高寒的特征，常年燕麥種植面積5.3萬hm2，東南至西北均有分布，選育的“隴燕”和“定莜”及引進(jìn)的“白燕”和“青永久”系列品種被廣泛種植，并隨著高效抗旱栽培技術(shù)模式的推廣，燕麥單產(chǎn)已由過去的750 kg/hm2大幅提高至現(xiàn)在的 5 250 kg/hm2，成為甘肅省干旱瘠薄地和退化草地廣泛種植的麥類作物。然而，近年來，隨著全球氣候變暖和甘肅干旱年份的頻繁出現(xiàn)，蚜蟲種群發(fā)育速率逐漸加快，世代重疊為害和介體傳播病毒造成的危害日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響著燕麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)蚜蟲種群演變動(dòng)態(tài)的研究結(jié)果表明，植物的營(yíng)養(yǎng)水平是蚜蟲種群演變的重要生理因子[2 ]。麥二叉蚜是一種表型可塑性強(qiáng)的生物種群，單基因抗性品種應(yīng)用是分化生物型的主要原因，國(guó)外已檢測(cè)出11種生物型[3 ]，國(guó)內(nèi)僅有北京地區(qū)檢測(cè)到中國(guó)I型[4 ]，種群取食引起葉片褪綠與植株壞死及介體傳播BYDV引起紅葉病是其典型的危害特征。

基于麥二叉蚜是一種表型可塑性強(qiáng)、易克服單基因抗性的多型害蟲，利用具有豐富抗逆基因的燕麥資源，選育抗性種質(zhì)需在明確麥二叉蚜生物型結(jié)構(gòu)組成后才有實(shí)際意義。我們分析評(píng)述了麥二叉蚜生物型、燕麥種質(zhì)資源對(duì)麥二叉蚜的排趨性、抗生性和耐害性鑒定、組合配置以及雜交后代群體抗性基因標(biāo)記定位研究的進(jìn)展，旨為燕麥抗蚜種質(zhì)創(chuàng)制提供思路，解決單基因抗蚜品系應(yīng)用麥二叉蚜分化新生物型的問題。

1 燕麥抗蚜性鑒定技術(shù)

國(guó)內(nèi)外有關(guān)麥類作物抗蚜性選擇方法的研究表明，田間自然感染蚜蟲后的蚜量比值法是麥類作物抗蚜性評(píng)價(jià)的一種簡(jiǎn)便方法，能在一定程度上說明某種麥類的抗蚜水平。但由于易受年份與地域間蚜蟲分布型、嚴(yán)重度等因素的制約，致使抗性評(píng)價(jià)手段與評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性；而網(wǎng)罩釋放蚜蟲于麥類的排趨性、抗生性和耐蚜性試驗(yàn)方法[5 ]，可以避免年份、地域間蚜蟲分布型與嚴(yán)重度等因素的制約，使麥類抗蚜性評(píng)價(jià)在初始蚜量相對(duì)一致的條件下進(jìn)行，從根本保證了抗蚜評(píng)價(jià)技術(shù)的科學(xué)性與評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，不僅是批量品種抗蚜性評(píng)價(jià)的快速有效方法，而且是單一品種抗蚜機(jī)制研究的主要手段。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用小麥品種的抗蚜性鑒定評(píng)價(jià)與抗性機(jī)制的研究中，并發(fā)現(xiàn)一批具有優(yōu)良抗性的小麥品種[6 ]。但有關(guān)燕麥品系抗蚜性鑒定評(píng)價(jià)研究較少。 2009 — 2012年我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，燕麥抗蚜種質(zhì)資源匱乏，免疫和高抗材料較少，感蚜材料較多，已鑒定的169個(gè)栽培品種中僅有5個(gè)高抗，可見抗性種質(zhì)創(chuàng)制迫在眉睫[7 ]。

2 燕麥抗蚜機(jī)制

作物的抗蚜性是作物與蚜蟲長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果，形態(tài)抗蚜與理化抗性是作物抗蚜的主要機(jī)制，兩種抗性對(duì)蚜蟲定殖、取食和種群繁殖有深遠(yuǎn)影響，且隨作物生長(zhǎng)變化而表現(xiàn)的一種時(shí)間序列行為。研究表明，葉背茸毛與氣孔數(shù)目、表面蠟質(zhì)與葉肉細(xì)胞緊密度是形態(tài)抗蚜的物理因 子[8 - 9 ]，對(duì)蚜蟲定殖、取食和產(chǎn)卵有重要影響；葉片固有或取食誘導(dǎo)的揮發(fā)物和次生代謝物、防御蛋白是生理抗蚜的主要因子[10 - 12 ]，對(duì)蚜蟲寄主定位、食物利用、種群繁殖、天敵生態(tài)位有深遠(yuǎn)影響。顯微觀測(cè)、電鏡掃描及色譜技術(shù)是研究作物形態(tài)與理化抗蚜的有效方法，能深入反應(yīng)作物表面微觀特征及體內(nèi)揮發(fā)物和次生代謝物的化學(xué)組成，揭示形態(tài)抗蚜與生化抗蚜機(jī)制；“Y”嗅覺儀和穿刺電位圖是記錄蚜蟲對(duì)寄主嗅覺反應(yīng)與口針刺探行為的有效工具[13 ]，反應(yīng)寄主對(duì)蚜蟲排趨性的強(qiáng)弱，得知蚜蟲口針是否刺吸以及刺吸時(shí)間的長(zhǎng)短，反應(yīng)組織抗蚜水平，準(zhǔn)確定位抗蚜部位。解毒酶是蚜蟲排解不良環(huán)境制約的生理因子，其活性高低反應(yīng)著蚜蟲對(duì)寄主抗性的內(nèi)在調(diào)控策略[14 ]。種群生命表是蚜蟲在特定寄主上的生活周期，客觀反應(yīng)著特定寄主上蚜蟲的繁殖策略[15 ]。這些技術(shù)已成功應(yīng)用于小麥形態(tài)和理化抗蚜機(jī)制的研究中，闡明小麥對(duì)蚜蟲的抗性以理化抗性為主，苯并惡嗪類、總酚、生物堿和防御酶是抗蚜的重要生化物質(zhì)，部分成果用于燕麥抗病機(jī)制研究中，但有關(guān)六倍體燕麥抗蚜機(jī)制的研究暫未見報(bào)道。

3 燕麥耐蚜性鑒定技術(shù)

作物的耐蚜性是植物遭遇蚜蟲為害后的一種生理補(bǔ)償特性，反應(yīng)的是作物受蚜蟲為害后繼續(xù)生長(zhǎng)繁殖的一種能力，超量補(bǔ)償、等量補(bǔ)償或不足補(bǔ)償是其主要的補(bǔ)償類型，3種補(bǔ)償作用通過調(diào)節(jié)被害作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量來彌補(bǔ)蚜蟲危害造成的損失，而對(duì)蚜蟲的取食和種群繁殖無不良影響，蚜蟲不會(huì)因寄主選擇壓力增大而出現(xiàn)新生物型。但3種補(bǔ)償作用受作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、CO2濃度、土壤營(yíng)養(yǎng)水平和化學(xué)物質(zhì)等非生物因子以及作物生育期、蚜蟲生物型等生物因子的制約[16 ]。因此，評(píng)價(jià)被害作物的補(bǔ)償水平時(shí)必須明確作物的生育期和蚜蟲的生物型，保證被害作物生長(zhǎng)環(huán)境溫度、CO2濃度和土壤水肥水平的一致性，才能有效避免生物因子與非生物因子的干擾，提高作物補(bǔ)償耐害評(píng)價(jià)機(jī)制的科學(xué)性。有關(guān)作物耐蚜性評(píng)價(jià)手段和耐蚜機(jī)理的研究結(jié)果表明，植株被害率和葉片功能損失指數(shù)是耐蚜性評(píng)價(jià)的主要方法，光合速率和細(xì)胞分裂素含量增加是作物耐蚜的主要機(jī)制[17 ]。

4 燕麥抗性基因的分子標(biāo)記

作物抗蚜性是穩(wěn)定遺傳的生物學(xué)性狀，編碼抗性物質(zhì)的DNA序列或調(diào)節(jié)抗生物質(zhì)合成的生物酶通常是主要的抗蚜基因，區(qū)別在于抗蚜性是由單基因控制的質(zhì)量遺傳性狀，而耐蚜性是由多個(gè)基因控制的數(shù)量遺傳性狀。燕麥染色體基因組較大，缺乏全套非整倍體材料和足夠的遺傳標(biāo)記，遺傳圖譜構(gòu)建較晚，但目前已有不同標(biāo)記類型的基因圖譜。如1995年ODonoughue 等[18 ]用 RFLP標(biāo)記繪制了第1張燕麥連鎖圖譜，該圖譜包含 561 個(gè)基因位點(diǎn)，38 個(gè)連鎖群，每個(gè)連鎖群上有 2～51個(gè)位點(diǎn)，圖譜長(zhǎng)度1 482 cM；2000年Jin 等[19 ]用RFLP 和AFLP標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，RFLP連鎖圖中36個(gè)連鎖群有 32 個(gè)與 AFLP 標(biāo)記相連，二者結(jié)合使連鎖圖由原來1 482 cM增加到 2 351 cM，2001年Groh 等[20 ]用RFLP和AFLP標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建了燕麥群體的AFLP連鎖圖，發(fā)現(xiàn)121個(gè)AFLP標(biāo)記，32個(gè)連鎖群；2001年P(guān)ortyanko 等[21 ]用136個(gè)重組近交家系，構(gòu)建一張含441個(gè)基因座位的分子圖譜；2009年徐微[22 ]用92個(gè)AFLP標(biāo)記、3個(gè)SSR標(biāo)記和1個(gè)形態(tài)標(biāo)記繪制了一張全長(zhǎng)為1 544.8 cM的裸燕麥遺傳連鎖圖譜。這些圖譜的構(gòu)建為分子輔助育種與抗性基因標(biāo)記研究提供了有力工具，為抗性基因標(biāo)記開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。由于歷史上歐美國(guó)家燕麥銹病和白粉病發(fā)生較為嚴(yán)重，抗病基因發(fā)掘較早，如目前已標(biāo)記的91個(gè)抗銹基因[23 ]、5個(gè)抗白粉基因[24 ]，抗蚜基因標(biāo)記多見于小麥抗麥雙尾蚜（Dn）和麥二叉蚜（Gb）基因的標(biāo)記定位中。如在小麥上已發(fā)現(xiàn)10個(gè)抗麥雙尾蚜基因，其中Dn1、Dn2、Dn5、Dn8、Dnx位于小麥7D上，Dn4和Dn9位于1D上，Dn7位于小麥1RS上[25 ]；發(fā)現(xiàn)9個(gè)抗麥二叉蚜基因，其中Gb2和Gb6位于小麥1A上，Gb3、Gb4和Gbz位于小麥7D上，Gb5和Gby位于小麥7A上，Gb1和Gbx的位置還待確 定[26 - 27 ]。

燕麥染色體基因組較大，缺乏全套非整倍體材料和足夠遺傳標(biāo)記，遺傳圖譜構(gòu)建較晚，有關(guān)燕麥抗蚜基因標(biāo)記暫未見報(bào)道。因此，利用分子生物學(xué)手段輔助選育抗蚜品系將成為今后燕麥抗蚜種質(zhì)創(chuàng)制的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭殿升，張宗文. 大粒裸燕麥（莜麥）（Avena nuda L）起源及分類問題的探討[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2011，12（5）：667-670.

[2] WILKINSON T L，KOGA R，F(xiàn)UKATSU T. Role of host nutrition in symbiont regulation：impact of dietary nitrogen on proliferation of obligate and facultative bacterial endosymbionts of the pea aphid Acyrthosiphon pisum [J]. Applied and Environmental Microbiology，2007， 73（4）：1362-1366.

[3] ZHU L C，SMITH C M，REESE J C. Categories of resistance to greenbug （Homoptera：Aphididae） biotype K in wheat lines containing Aegilops tauschii genes[J]. Journal of Economic Entomology，2005，98（6）：2260-2265.

[4] 劉旭明，金達(dá)生. 北京地區(qū)麥二叉蚜生物型鑒定研究初報(bào)[J]. 昆蟲學(xué)報(bào)，1998，41（2）：141-144.

[5] DOGRAMACI M，MAYO Z B，WRIGHT R，et al. Categories of resistance， antibiosis and tolerance，to biotype I greenbug [Schizaphis graminum （Rondani） Homoptera：Aphididae]in four sorghum[Sorghum bicolor （L） Moench. Poales： Gramineae] hybrids[J]. Journal of the Kansas Entomological Society，2007，80（3）： 183-191.

[6] MOJAHED S，RAZMJOU J，GOLIZADEH A，et al. Resistance of wheat cultivars and lines to Schizaphis graminum（Hemiptera：Aphididae） under laboratory conditions[J]. Applied Entomology and Zoology，2013， 48（1）：39-45.

[7] 郭建國(guó)，郭滿庫，趙桂琴，等. 燕麥抗蚜性和抗BYDV病毒病鑒定及利用評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，45（3）：575-583.

[8] 林鳳敏，陸宴輝，吳孔明，等. 棉花葉片茸毛性狀與綠盲蝽抗性的關(guān)系[J]. 植物保護(hù)學(xué)報(bào)，2010，37（2）：165-171.

[9] 劉 勇，陳巨蓮，程登發(fā). 不同小麥品種（系）葉片表面蠟質(zhì)對(duì)兩種麥蚜取食的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（8）：1785-1788.

[10] 蔡曉明，孫曉玲，陳宗懋. 蟲害誘導(dǎo)植物揮發(fā)物（HIPVs）：從誘導(dǎo)到生態(tài)功能[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，

28（8）：3969-3980.

[11] ELEK H，SMART L，MARTIN J，et al. The potential of hydroxamic acids in tetraploid and hexaploid wheat varieties as resistance factors against the bird-cherry oat aphid，Rhopalosiphum padi[J]. Annals of Applied Biology，2013，162（1）：100-109.

[12] SUN Y P，ZHAO L J，SUN L，et al. Immunolocalization of odorant-binding proteins on antennal chemosensilla of the peach aphid Myzus persicae（Sulzer）[J]. Chemical senses，2013，38（2）： 129-136.

[13] MORRIS G，F(xiàn)OSTER W A. Duelling aphids： electrical penetration graphs reveal the value of fighting for a feeding site[J]. Journal of Experimental Biology，2008，211（9）：1490-1494.

[14] FRANCIS F，VANHAELEN N，HAUBRUGE E. Glutathione S-transferases in the adaptation to plant secondary metabolites in the Myzus persicae aphid [J]. Archives of Insect Biochemistry and Physiology，2005，

58（3）：166-174.

[15] KIM J S，LEE J H，KIM T H，et al. Life table of the greenbug，Schizaphis graminum（Rondani）（Homoptera：Aphididae） on barley，Hordeum vulgare L .[J]. Korean Journal of Applied Entomology，2007，46（1）： 37-42.

[16] STRAUSS S Y， MURCH P. Toward an understanding of the mechanisms of tolerance：compensating for herbivore damage by enhancing a mutualism [J]. Ecological Entomology，2004，29（2）：234-239.

[17] TIFFIN P. Mechanisms of tolerance to herbivore damage：what do we know[J]. Evolutionary Ecology， 2000，14（4-6）： 523-536.

[18] ODONOUGHUE L S，KIANIAN S F， RAYAPATI P J. A molecular linkage map of cultivated oat[J]. Genome，1995，38（2）：368-380.

[19]JIN H，DOMIER L L，SHEN X. Combined AFLP and RFLP mapping in two hexaploid oat recombinant indred populations[J]. Genome，2000，43（1）：94-101.

[20]GROH S，ZACHARIAS A，KIANIAN SF，et al. Comparative AFLP mapping in two hexaploid oat populations[J]. Theoretical and Applied Genetics，2001，

102（6-7）：876-884.

[21] PORTYANKO V A，HOFFMAN D，LEE M，et al. A linkage map of hexaploid oat based on grass anchor DNA clones and its relationship to other oat maps[J]. Genome，2001，44（2）：249-265.

[22] 徐 微. 裸燕麥種質(zhì)資源遺傳多樣性及遺傳圖譜構(gòu)建研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

[23] MCCARTNEY C A，STONEHOUSE R G，ROSSNAGEL B G，et al. Mapping of the oat crown rust resistance gene Pc91[J]. Theoretical and Applied Genetics，2011，122（2）：317-325.

[24] MOHLER V，ZELLER F J，HSAM S L K. Molecular mapping of powdery mildew resistance gene Eg-3 in cultivated oat （Avena sativa L. cv. Rollo） [J]. Journal of applied genetics，2012，53（2）：145-148.

[25] LIU X M，SMITH C M，GILL B S. Identification of microsatellite markers linked to Russian wheat aphid resistance genes Dn4 and Dn6 [J]. Theoretical and Applied Genetics，2002，104（6-7）：1042-1048.

[26] BOYKO E，STARKEY S，SMITH M. Molecular genetic mapping of Gby，a new greenbug resistance gene in bread wheat[J]. Theoretical and Applied Genetics，2004，109（6）：1230-1236.

[27] ZHU L C，SMITH C M，F(xiàn)RITZ A，et al. Genetic analysis and molecular mapping of a wheat gene conferring tolerance to the greenbug（Schizaphis graminum Rondani）[J]. Theoretical and Applied Genetics，2004，109（2）：289-293.

（本文責(zé)編：陳 珩）