青海春小麥品種高原363成株期抗條銹病基因遺傳模型分析

侯 璐

(青海大學 農(nóng)林科學院，青海省農(nóng)林科學院，青海省農(nóng)業(yè)有害生物綜合治理重點實驗室，農(nóng)業(yè)部西寧作物有害生物科學觀測實驗站，青海大學省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016)

小麥條銹病是世界范圍內(nèi)的病害，該病害是由于小麥條銹菌(Pucciniastriiformisf. sp.Tritici)引發(fā)的。通常該病最容易發(fā)生在低溫并且潮濕的環(huán)境內(nèi)，一般來講，只要是植株仍舊是綠色，也就是苗期到成熟期之內(nèi)，都是有可能得病的[1]。經(jīng)過實踐與相關(guān)研究證明，最具有性價比并且環(huán)保的方式來防治此病害就是利用和種植具有抗病的小麥品種[2-3]。但是自然界中小麥條銹菌群體的毒性結(jié)構(gòu)復雜，不斷出現(xiàn)的新的小麥條銹菌毒性小種，容易使正在推廣的生產(chǎn)中的小麥品種由原來的抗病轉(zhuǎn)變?yōu)楦胁?，因此，導致小麥條銹病一直多發(fā)而從未消減過，對此只能不斷地尋找新的抗條銹病小麥材料來挖掘新的抗病基因，從而達到多樣化的抗條銹病基因并能合理的布局，進一步對小麥抗條銹病基因遺傳特點的研究也是一項防治小麥出現(xiàn)此類病害的重要基礎(chǔ)研究。

我國有些地區(qū)在夏季時會流傳此病害，青海省正是其中之一[4]。在青海省，春小麥和冬小麥交錯種植，且小麥的種植呈垂直分布，每年以晚熟春麥上的條銹病菌源為主的大量越夏菌源，可以一直保持到早期播種的冬小麥出苗以后，從而為我國東部冬小麥生產(chǎn)區(qū)提供條銹病菌。青海省近幾年種植的春小麥品種主要是“阿勃”，這個品種是高感此病害的品種，青海省在生產(chǎn)上表現(xiàn)抗病的品種較少，這種情況為我國小麥條銹病越夏區(qū)菌源的治理帶來很不利的影響。

為了增加抗條銹病基因的多樣性，我國科研工作者做了許多工作。在對我國農(nóng)家品種和生產(chǎn)品種的抗條銹病性研究中，徐世昌等所在研究組做了大量系統(tǒng)的抗病性鑒定和研究工作[5-10]。在對不同省份的小麥品種的抗條銹性研究上：曹世勤等[11]對甘肅省的 26 個春麥品種(系)做了結(jié)合苗期和成株期測試的抗病性評價，并且在2003-2013年這10 a持續(xù)地完成了對4 291份冬小麥和710份春小麥的抗條銹性鑒定[12]。李永平等[13]對臨麥系列春小麥品種進行結(jié)合苗期測試和成株期測試的抗病性評價分析；王萬軍等[14]對86份貴協(xié)系小麥種質(zhì)資源進行了成株期抗條銹病鑒定，發(fā)現(xiàn)9份資源表現(xiàn)了相對穩(wěn)定的成株期抗病性。在對春小麥種質(zhì)資源的抗條銹病性研究方面，周新力等[15]對80份引自美國的春小麥種質(zhì)資源進行了系統(tǒng)的苗期和成株期抗條銹性評價；姚強[16]評價了青海、西藏等地區(qū)的120份春小麥品種(系)的成株期抗條銹性，侯璐等[17-18]先后對搜集的共483份春麥資源進行了結(jié)合苗期測試和成株期抗病性測試的系統(tǒng)抗條銹性鑒定。在對抗條銹性春小麥種質(zhì)資源中條銹病基因遺傳分析研究方面：侯璐等[19-20]先后分析了8份抗病春小麥種質(zhì)資源的苗期抗條銹病基因的遺傳特點，姚強等[21]分析了青春39中苗期抗條銹病基因的遺傳規(guī)律；而目前國內(nèi)針對春小麥品種成株期的抗小麥條銹病基因的遺傳特點研究仍舊較少，僅張調(diào)喜等[22-23]做了春小麥品種墨波(Mobo)和青春38的成株期抗條銹病基因的遺傳解析。

青海農(nóng)科院植保所植物病理研究組從2010-2016年的大田條銹病成株期感病情況調(diào)查，發(fā)現(xiàn)春小麥品種高原363一直表現(xiàn)高抗條銹病，是很好的抗源材料[16]，本研究主要探究高原363的成株期抗條銹病基因的抗性遺傳特點和規(guī)律，以對其的有效合理利用提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

高原363； Taichung 29 (T29)(中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所的徐世昌先生提供最初種子)；高原363作為父本，和T29雜交自交后獲得F2∶3群體。

1.2 試驗方法

2015年和2016年分別于青海省東海市互助縣和西寧市的小麥條銹病抗性鑒定自然發(fā)病圃進行了抗病性鑒定。

2個親本均是種1行，1 m的行長，每行間隔0.3 m；在2015年使用單粒點播的方式種植F2，1行總共播種10粒； 2015年種植的無論是互助縣還是西寧市的F2單株群體，均收獲到了相應的F3家系群體的種子。2016年將F3家系群體于相同的地方繼續(xù)種植；在每塊試驗地中每播種20行就插種1行T29作為感病誘發(fā)對照組，并且在鑒定圃四周亦種植3行T29作為發(fā)病誘發(fā)行，按照節(jié)氣，于每年的4月上旬進行播種，T29一般在7月上旬充分發(fā)病，因此，在這個時間段內(nèi)調(diào)查親本和群體，2015年調(diào)查F2群體中的每個單株， 2016年對每個F3家系進行調(diào)查。將反應型和嚴重程度均詳細記錄反饋。不同次數(shù)的調(diào)查之間間隔為7 d。一共進行2次調(diào)查，使用Hou等[24]0～9級的記錄方法來記錄反映型，田間病害嚴重度(DS，%)按0～100的調(diào)查方法分級記錄[15]，選用2次調(diào)查中發(fā)病最嚴重的數(shù)據(jù)作為最終統(tǒng)計。

2個F2∶3群體在各個環(huán)境中的嚴重度和反應型的頻率分布條形圖由軟件 Excel 2016 統(tǒng)計并繪制；并且使用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析軟件[25]對數(shù)據(jù)進行解析和分析。使用期望最大化以及極大似然算法估算分布參數(shù)。適宜遺傳模型的選擇標準，一般為AIC值較小以及適應性檢驗結(jié)果比較優(yōu)的模型。使用最小二乘法來估計一階遺傳參數(shù)和二階遺傳參數(shù)，估計得出的二階遺傳參數(shù)包括了主基因和多基因的遺傳方差以及遺傳率等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 條銹病抗性統(tǒng)計分析

2015年與2016年在青海兩地的試驗中，感病親本T29的病害反應型均為9級，嚴重度為95%，說明試驗地條銹病發(fā)病比較充分，而高原363的反應型為3級，嚴重度為10%；F2∶3群體在2個環(huán)境中反應型和嚴重度大小的頻率分布如圖1，2。由圖中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)2∶3群體在2個環(huán)境下反應型和嚴重度均呈現(xiàn)出了雙峰分布的現(xiàn)象，而且整體上的連續(xù)性分布現(xiàn)象并未出現(xiàn)，但是不同的區(qū)段內(nèi)卻又出現(xiàn)了連續(xù)性的現(xiàn)象。對此分析可能是因為由主效基因和微效多基因共同控制的復雜遺傳表現(xiàn)的現(xiàn)象。

圖1 高原363/T29 F2∶3群體在互助試驗地所測試病害反應型和嚴重度的頻率分布Fig.1 Analysis of frequency distributions of Gaoyuan 363/T29 F2∶3 populations the infection type and disease severity tested in Huzhu

圖2 高原363/T29 F2∶3群體在西寧試驗地所測試反應型和病害嚴重度的頻率分布Fig.2 Analysis of frequency distributions of Gaoyuan 363/T29 F2∶3 populations the infection type and disease severity tested in Xining

2.2 遺傳模型的選擇

分析結(jié)果如表 1，得到11 種遺傳模型的AIC值，包括0 對主基因(A)、1 對主基因(B)和2 對主基因(C) 3類。選取 AIC 值最小的3個或者與最小AIC值比較接近的遺傳模型為候選模型，獲得候選模型的U12、U22和 U32、nW2和Dn統(tǒng)計量，選擇模型時考慮顯著的檢驗個數(shù)問題，將顯著檢驗個數(shù)最少的模型選擇為最優(yōu)遺傳模型。

2.2.1 高原363的成株期抗條銹性基因遺傳模型的選擇 根據(jù)互助測試得到的分析結(jié)果如表1，由嚴重度數(shù)據(jù)進一步分析得到， C-5、C-6和 C-2的AIC值最低，分別為1 582.23，1 584.72和1 586.23；適合性檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該3個模型都是只有1個統(tǒng)計量達到顯著水平，C-5 模型的 AIC 值最小，故作為最適合遺傳模型。當用反應型數(shù)據(jù)分析時，C-1、C-5和C-6的AIC 值最低，分別為542.79，586.18和588.08；結(jié)合適合性檢驗結(jié)果分析，C-6模型達到顯著的檢驗個數(shù)最少，為1個，因此，將其作為最適合的遺傳模型。

在西寧測試的分析結(jié)果如表1，用嚴重度數(shù)據(jù)分析時，C-6、C-5和C-3的 AIC 最低，分別為639.34，639.94和641.48；在適合性檢驗結(jié)果中得知，3個模型均未表現(xiàn)出顯著水平的統(tǒng)計量，C-6即為最適合的遺傳模型，因為其AIC值最小。當用發(fā)病反應型數(shù)據(jù)分析時，模型C-1和C-6和C-5的 AIC 值最低，分別為198.56，250.07和252.07；適合性檢驗結(jié)果分析中得知，3個模型的統(tǒng)計量中均只有一個達到了顯著水平，因為C-1模型的AIC值最小，即為最適合的遺傳模型。

由以上分析結(jié)果可知，2個地點中選用嚴重度數(shù)據(jù)或反應型數(shù)據(jù)分析時，最適宜的遺傳模型均是表現(xiàn)出了2對主基因的遺傳方式，主基因的作用方式不同，其中C-1模型為加性-顯性-上位性作用，C-5模型為完全顯性作用，C-6模型為等顯性作用。

2.2.2 最適遺傳模型相關(guān)參數(shù)估計 反應型和嚴重度的一階和二階遺傳參數(shù)由最優(yōu)遺傳模型估計(表2)。高原363/T29 F2群體在互助測試，對嚴重度數(shù)據(jù)進行分析時，高原363的成株期抗條銹病基因作用方式表現(xiàn)為C-5模型，也就是加性效應均表現(xiàn)出正向效應的2對完全顯性主效基因表現(xiàn)的作用；當使用反應數(shù)據(jù)分析時，發(fā)現(xiàn)高原363的成株期抗條銹病基因作用方式如同C-6模型表現(xiàn)出的模式，也就是2對等顯性主基因作用的結(jié)果，并且2對基因的加性效應只有一個呈現(xiàn)出正向效應。在西寧的測試中發(fā)現(xiàn)，以嚴重度數(shù)據(jù)進行分析得出的為C-6模型，也就是2對等顯性主基因作用，并且這2對基因的加性效應只有一個呈現(xiàn)出正向效應；而以反應型數(shù)據(jù)為分析得出的結(jié)果呈現(xiàn)出C-1模型，也就是2對呈現(xiàn)出加性-顯性-上位性的主基因作用的結(jié)果，除了其顯性效應均是負向效應，基因間加性×加性互作為負向，其他互相作用效應均顯示為正向效應。在互助縣的試驗地條件下，主基因的遺傳率分別為94.10%,87.64%，而在西寧市的試驗地條件下主基因的遺傳率為93.93%,99.26%，由此證明2個不同環(huán)境下成株期高原363的抗條銹基因都表現(xiàn)很強的遺傳能力，并且在2個環(huán)境下主基因的遺傳率差距并不大。說明主基因具有較高的遺傳穩(wěn)定性，受環(huán)境因素影響小。

表1 高原363/T29 F2 群體在2個試驗地病害反應型和發(fā)病嚴重度在各遺傳模型下的AIC 值Tab.1 AIC values of genetic models by Gaoyuan 363/T29 F2 populations the infection type and disease severity tested in two environments

注：MG.主基因；A.加性效應；D.顯性效應；I.互作；N.負向；E.相等；下劃線表示 AIC 值較小,加粗數(shù)字表示屬于最優(yōu)遺傳模型。

Note： MG.Major gene; A.Additive;D.Dominance;I.Interaction;N.Negative; E.Equal; Minimum AIC value in each cross is underlined, data in bold belonged the most fitted genetic model.

表2 高原363/T29 F2群體在最適遺傳模型下估計的遺傳參數(shù)值Tab.2 Genetic parameters of Gaoyuan 363/T29 F2 populations estimated from the best models

3 討論

作為青海省的春小麥主栽品種，高原363由中國科學院西北高原生物研究所1975年以高原2D巨穗單體和B3-1-1特多實矮稈突變體為基礎(chǔ)，應用人工染色體工程引入外源優(yōu)異基因，利用F2單體優(yōu)株復合雜交法綜合、固定累加多種屬多品種的優(yōu)秀基因，并且與常規(guī)選育方法相結(jié)合而培育出，不僅僅具有耐旱、耐青干的特點以及抗倒伏的特點，更是具有抗條銹、葉銹以及桿銹的特點[26]。本研究組從2010-2016年7 a連續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)成株期高原363對條銹病的抗性一直很高。研究其抗病遺傳機制對科學利用這一抗病資源具有重要意義。

目前，國內(nèi)發(fā)表的主要是依據(jù)孟德爾遺傳規(guī)律結(jié)合病害反應型數(shù)據(jù)分析的方法對小麥成株期抗銹病基因的遺傳分析，僅能分析出1～3對成株期抗銹病基因的作用規(guī)律[27-31]。本研究組報道了對春小麥品種墨波和青春38的成株期抗條銹基因的遺傳解析[22-23]，也是利用本研究中使用的混合遺傳模型來進行分析，和本研究中的情況相仿，也就是雜交群體的抗病性分離結(jié)果并不符合純數(shù)量性遺傳的連續(xù)性分布，在鑒定結(jié)果中發(fā)現(xiàn)中間型較多，在人為抗病與感病劃分時容易出現(xiàn)較大的誤差，特別是在該研究小領(lǐng)域中，對小麥條銹病的病害嚴重度的結(jié)果還未進行過人為的抗病、感病的劃分，而直接應用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法分析，既避免了人為劃分抗、感病的誤差，而且可以將病害嚴重度與發(fā)病反應型的數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)合到一起分析，使研究分析更豐富，結(jié)果更可靠。

本研究選取了高原363與T29 春小麥品種以及它們的雜交后代群體，在西寧市與互助縣2個試驗地點各進行了2年的田間成株期條銹病抗性鑒定研究，結(jié)果最終顯示，高原363含有2對成株期抗條銹病主效基因，該2對主基因在不同環(huán)境或用不同調(diào)查參數(shù)(嚴重度或反應型)時表現(xiàn)的作用方式不一樣。根據(jù)高原363中的成株期抗條銹病基因的遺傳特點，可以使用分子標記的方法定位抗病基因，找到緊密連鎖抗病基因的標記，在分子標記輔助選擇育種的過程中可以起到作用，也可直接通過抗病基因聚合以進一步增強寄主的抗病性并提高抗性持久性。