小麥品種揚(yáng)麥16赤霉病抗擴(kuò)展QTL定位及分析

胡文靜 張 勇 陸成彬 王鳳菊 劉金棟 蔣正寧 王金平朱展望 徐小婷 郝元峰 何中虎,3 高德榮,*

小麥品種揚(yáng)麥16赤霉病抗擴(kuò)展QTL定位及分析

胡文靜1張 勇1陸成彬1王鳳菊2劉金棟2蔣正寧1王金平2朱展望2徐小婷2郝元峰2何中虎2,3高德榮1,*

1江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇揚(yáng)州 225007;2國(guó)家小麥改良中心 / 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081;3國(guó)際玉米小麥改良中心(CIMMYT)中國(guó)辦事處, 北京 100081

揚(yáng)麥系列品種赤霉病抗性在世界范圍內(nèi)得到重視, 但其抗性遺傳機(jī)制尚不清楚。揚(yáng)麥16是近年來(lái)大面積推廣的抗赤霉病品種, 本研究以揚(yáng)麥16與中麥895雜交構(gòu)建的174個(gè)雙單倍體(double haploid lines, DH)系為材料, 于2017—2019年連續(xù)3年對(duì)該群體采用單花滴注進(jìn)行赤霉病抗擴(kuò)展鑒定。利用660K SNP芯片構(gòu)建高密度遺傳圖譜, 共檢測(cè)到6個(gè)抗性QTL, 分別位于2DL、3BL、4BS、4DS、5BL和6AS染色體上。除4BS位點(diǎn)外, 其他5個(gè)抗性等位基因均來(lái)源于揚(yáng)麥16。和均在多年被檢測(cè)到, 可解釋8.8%~15.0%的表型變異;、僅在1年被檢測(cè)到, 分別解釋10.5%和14.7%的表型變異;和來(lái)源于中麥895的僅在1年被檢測(cè)到且效應(yīng)僅為6.4%和8.3%。QTL效應(yīng)分析結(jié)果表明, 相較于單個(gè)位點(diǎn), 多個(gè)抗性QTL的聚合可顯著降低赤霉病嚴(yán)重度。揚(yáng)麥16抗赤霉病QTL將為揭示揚(yáng)麥品種抗性遺傳機(jī)制及開(kāi)發(fā)相應(yīng)分子標(biāo)記奠定基礎(chǔ)。

小麥; 赤霉病; QTL; 標(biāo)記輔助育種

小麥赤霉病(Wheat scab, Fusarium head blight, FHB)是由禾谷鐮刀菌()等引起的一種世界性真菌病害[1]。我國(guó)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)是赤霉病的常發(fā)區(qū)和重發(fā)區(qū), 2012—2015年, 江蘇省年均赤霉病發(fā)生面積約120萬(wàn)公頃[2]。近年來(lái), 隨著氣候變暖和玉米秸稈還田, 小麥赤霉病發(fā)生愈來(lái)愈重, 正迅速擴(kuò)展到黃淮麥區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 近10年, 河南省赤霉病年均發(fā)生面積達(dá)110萬(wàn)公頃左右, 其中2012年達(dá)333萬(wàn)公頃, 2016年達(dá)117萬(wàn)公頃[3]。

赤霉病的侵染時(shí)期主要是小麥開(kāi)花期, 赤霉菌侵染小花后迅速在穗部擴(kuò)展, 在小麥籽粒灌漿成熟過(guò)程中不斷繁殖, 進(jìn)而積累各種毒素, 例如脫氧雪腐鐮孢菌烯醇(deoxynivalenol, DON)、雪腐鐮孢菌烯醇(nivalenol, NIV)和玉米赤霉烯酮(zearalenol, ZEN), 嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量, 并對(duì)人畜健康造成巨大傷害, 成為糧食安全的主要威脅[4]。選育和種植抗病品種是應(yīng)對(duì)赤霉病危害最經(jīng)濟(jì)、安全的途徑。小麥赤霉病的抗性主要可以分為抗侵染(type I)、抗擴(kuò)展(type II)、抗DON積累(type III)和籽?？剐?type IV) 4種類型, 其中type II類型研究最深入[5]。多年來(lái), 已報(bào)道超過(guò)250個(gè)抗赤霉病QTL, 覆蓋小麥全部21條染色體[6], 但目前明確的小麥抗赤霉病基因只有7個(gè), 其中和是抗擴(kuò)展類型,和是抗侵染類型, 僅已經(jīng)被克隆[7-8]。蘇麥3號(hào)是國(guó)際上研究和利用最廣泛的赤霉病抗源, 望水白是已知的攜帶抗赤霉病位點(diǎn)最多的小麥品種之一[3]。它們均攜帶主效抗病基因, 但兩者綜合農(nóng)藝性狀較差, 稈高易倒伏、穗數(shù)和穗粒數(shù)少、粒重低, 雖利用它們選育出一批抗性好的材料, 例如寧7840等, 但因其綜合豐產(chǎn)性差未得到大面積應(yīng)用[9]。據(jù)報(bào)道, 聚合和其他抗赤霉病位點(diǎn), 可累加抗性效應(yīng), 提高抗性水平[10-11]。揚(yáng)麥系列品種一直是長(zhǎng)江中下游麥區(qū)主體品種, 多數(shù)品種表現(xiàn)中抗赤霉病。揚(yáng)麥16是近年來(lái)長(zhǎng)江中下游推廣面積最大的小麥品種, 利用其為親本選育出優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)抗赤霉病的小麥品種如揚(yáng)麥23和揚(yáng)麥28等, 表明揚(yáng)麥16在小麥遺傳改良中可以作為穩(wěn)定的抗赤親本使用。經(jīng)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院開(kāi)發(fā)的小麥功能基因標(biāo)記檢測(cè), 揚(yáng)麥16不含[12-13], 可能存在其他主效抗赤霉病基因。因此, 挖掘揚(yáng)麥16的抗赤霉病基因, 拓寬小麥赤霉病抗源, 對(duì)小麥抗赤霉病育種具有重要意義。本研究利用來(lái)自揚(yáng)麥16/中麥895 的174份雙單倍體家系, 經(jīng)660K SNP芯片檢測(cè), 構(gòu)建高密度遺傳圖譜, 結(jié)合多年表型鑒定結(jié)果, 挖掘揚(yáng)麥16抗赤霉病QTL, 為開(kāi)展標(biāo)記輔助抗赤霉病育種提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及田間試驗(yàn)

以揚(yáng)麥16 (Yangmai 16, 簡(jiǎn)稱YM16, 系譜: 揚(yáng)91F138 (揚(yáng)麥158選系)/揚(yáng)90-30)為母本, 中麥895 (Zhongmai 895, 簡(jiǎn)稱ZM895, 系譜: 周麥16/荔墾4號(hào))為父本雜交, 利用玉米花粉誘導(dǎo)雙單倍體培育174份DH家系。以蘇麥3號(hào)(Sumai 3, 簡(jiǎn)稱SM3)和周麥18 (Zhoumai 18, 簡(jiǎn)稱ZM18)為抗赤霉病和感赤霉病對(duì)照。2016—2017年度(簡(jiǎn)稱為2017年)于國(guó)際玉米小麥改良中心(International Maize and Wheat Improvement Center, CIMMYT)溫室種植, 花盆直徑20 cm, 每盆播種8粒, 最后定苗至5株, 2次重復(fù), 參照CIMMYT的正常管理方法管理溫室。2017—2018年度和2018—2019年度(簡(jiǎn)稱為2018年和2019年)于江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所基地種植, 采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn), 2行區(qū), 每行30粒, 2次重復(fù), 行長(zhǎng)1.3 m, 行距0.3 m, 參照當(dāng)?shù)氐恼Ｔ耘喾椒ü芾泶筇铩?/p>

1.2 赤霉病鑒定和表型數(shù)據(jù)處理

參照 Yu 等[14]方法制備赤霉菌孢子懸浮液(5000孢子 mL–1), 采用單花滴注法接種。于小麥開(kāi)花初期, 用注射器吸取10 μL孢子液注射入麥穗中間小穗的一個(gè)小花中(頂部小穗開(kāi)始自上而下第6個(gè)小穗), 接種每系15個(gè)穗子。溫室單花滴注接種后套袋保濕3 d, 田間單花接種后立即采用人工彌霧保濕(每半小時(shí)田間彌霧噴水5 min, 6:00–18:00)。接種21 d后調(diào)查病小穗數(shù), 計(jì)算病小穗率。病小穗率(percentage of scabbed spikelets, 簡(jiǎn)稱PSS)作為赤霉病嚴(yán)重度的衡量指標(biāo)[9]。病小穗率(%) = (病小穗數(shù)/總小穗數(shù)) ×100%。用 DPS 軟件和IciMapping的ANOVA功能進(jìn)行群體表型數(shù)據(jù)的相關(guān)分析、方差分析及遺傳力的估算。

1.3 分子標(biāo)記的檢測(cè)

取小麥幼苗, 采用CTAB法提取基因組DNA[15], 利用Affymetrix SNP技術(shù)檢測(cè)平臺(tái)(北京博奧生物有限公司)小麥660K SNP芯片分析親本和群體, 利用Genomestudio v1.0軟件進(jìn)行多態(tài)性分析和整合(Illumina, http://www.illumina.com/)。將13個(gè)包括和[12]等重要農(nóng)藝性狀功能基因的相應(yīng)KASP標(biāo)記也整合入多態(tài)性標(biāo)記中。

1.4 遺傳圖譜構(gòu)建和QTL定位

篩選出缺失率<10%, 最小等位基因頻率>30%的多態(tài)性標(biāo)記, 使用IciMapping v4.1 (http://www. isbreeding.net/)的BIN功能進(jìn)行去冗余。根據(jù)SNP側(cè)翼序列比對(duì)到中國(guó)春參考基因組的物理位置(IWGSC RefSeq v1.0, https://wheat-urgi.versailles. inra.fr/)和SNP在小麥660K整合圖譜(趙光耀, 私人通訊) KJ-RIL遺傳圖譜中的位置[16], 挑選461個(gè)分布在小麥21條染色體的SNP作為Anchor標(biāo)記, 利用IciMapping v4.1的MAP功能將標(biāo)記分組, 利用MSTmap(http://mstmap.org/)的Kosambi功能對(duì)各組標(biāo)記排序和計(jì)算遺傳距離。利用JoinMap v4.0[17]校正遺傳長(zhǎng)度, 得到最終遺傳圖譜。利用MapChart 2.3 (https://www.wur.nl/en/show/Mapchart.htm)繪制遺傳圖譜。利用IciMapping v4.1的完備區(qū)間作圖法(Inclusive composite interval mapping, ICIM)檢測(cè)抗赤霉病QTL, LOD閾值設(shè)為2.5[18]。將同一染色體上檢測(cè)到的峰值所在遺傳位置之間距離小于10 cM的QTL視為同一個(gè)位點(diǎn)。QTL的命名方法為“Q”加性狀縮寫, 加單位名稱縮寫, 加QTL所在的染色體, 同一染色體上多個(gè)QTL用.1、.2、.3、……來(lái)表示。例如代表 5A 染色體上檢測(cè)出來(lái)的控制赤霉病抗擴(kuò)展的第一個(gè)QTL。將在2個(gè)或者超過(guò)2個(gè)年份下能夠檢測(cè)到的QTL定義為“穩(wěn)定QTL”, 將效應(yīng)值大于10%的QTL定義為“具有較大表型貢獻(xiàn)率的QTL”。為了與前人結(jié)果比較, 將連鎖標(biāo)記或者基因的序列與中國(guó)春參考基因組序列的EnsemblPlants數(shù)據(jù)庫(kù)(http://plants.ensembl.org/)比對(duì), 獲得標(biāo)記或者基因的物理位置[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及DH群體的抗性表現(xiàn)

由表1和圖1可以看出, 3年試驗(yàn)的PSS范圍, 揚(yáng)麥16是14.2%~23.3%, 中麥895是58.7%~69.7%, 抗病對(duì)照蘇麥3號(hào)是5.2%~6.1%, 感病對(duì)照周麥18是60.2%~70.1%。群體的偏度和峰度絕對(duì)值均<1, 分布呈連續(xù)的正態(tài)分布, 可用于QTL定位研究[20]。

圖1 揚(yáng)麥16/中麥895 DH群體赤霉病嚴(yán)重度頻次分布(2017–2019)

橫坐標(biāo)代表病小穗率, 縱坐標(biāo)代表相關(guān)病小穗率范圍內(nèi)的家系數(shù)目。

The abscissa indicates the percentage of scabbed spikelets, and the ordinate indicates the line number.

3年試驗(yàn)結(jié)果均表明雙親赤霉病的病小穗率存在極顯著的差異, DH群體赤霉病嚴(yán)重度的最小值和最大值之間差異明顯, 存在超親分離, 可以初步判斷雙親都攜帶抗性基因且位點(diǎn)互補(bǔ), 通過(guò)雜交可以得到超親分離的株系。抗病和感病對(duì)照的病小穗率亦存在極顯著差異。

表1 揚(yáng)麥16/中麥895 DH群體、親本和對(duì)照的赤霉病嚴(yán)重度

數(shù)據(jù)后不同字母表示不同基因型間赤霉病嚴(yán)重度差異顯著(< 0.01)。

Values followed by different letters are significant by different in FHB severity among genotypes (< 0.01).

2.2 遺傳連鎖圖譜

利用660K SNP芯片, 過(guò)濾和篩選得到152,310個(gè)高質(zhì)量多態(tài)性SNP標(biāo)記, 經(jīng)過(guò)去冗余分析后, 最終“揚(yáng)麥16/中麥895”高密度遺傳圖譜的上圖標(biāo)記為14,480個(gè)。圖譜覆蓋小麥21條染色體, 長(zhǎng)度為3681.7 cM, 密度為3.9個(gè)標(biāo)記 cM–1。分布于小麥A、B和D染色體組的標(biāo)記數(shù)分別為5036、7634和1810個(gè), 連鎖長(zhǎng)度分別為1223.2、1035.6和1423.0 cM。其中, 標(biāo)記密度最高的是1B染色體, 平均11.7個(gè)標(biāo)記 cM–1, 標(biāo)記密度最低的是7D染色體, 平均0.8個(gè)標(biāo)記 cM–1。

2.3 抗赤霉病QTL定位

共檢測(cè)到6個(gè)抗赤霉病QTL, 分別位于2DL、3BL、4BS、4DS、5BL和6AS上。除外, 其他5個(gè)QTL均來(lái)自揚(yáng)麥16。在3年中均被檢測(cè)到, 抗性貢獻(xiàn)率8.8%~13.7%,可在2年同時(shí)被檢測(cè)到, 抗性貢獻(xiàn)率9.5%~15.0%。這2個(gè)QTL是本研究檢測(cè)到的穩(wěn)定的抗赤霉病位點(diǎn)。和分別在2017和2019年被檢測(cè)到, 抗性貢獻(xiàn)率分別為10.5%和14.7%。和均僅在2018年被檢測(cè)到, 抗性貢獻(xiàn)率分別為8.3%和6.4% (表2和圖2)。

表2 揚(yáng)麥16/中麥895 DH 群體抗赤霉病QTL定位

#加性效應(yīng)為負(fù)說(shuō)明赤霉病抗性來(lái)源于揚(yáng)麥16, 加性效應(yīng)為正說(shuō)明赤霉病抗性來(lái)源于中麥895。

#The resistance alleles at loci with negative additive effects are from YM16 and that with a positive additive effect is from ZM895.

圖2 揚(yáng)麥16/中麥895 DH群體抗赤霉病QTL定位情況

連鎖群右邊是標(biāo)記名稱, 左邊是遺傳位置(CM)。紅色、藍(lán)色和綠色分別代表2017、2018和2019年定位到的QTL, QTL右邊對(duì)應(yīng)LOD值。

Markers’ names are shown to the right of vertical axis, and their genetic positions are shown in cM to the left. Red, blue, and green represent 2017, 2018, and 2019, respectively. LOD values of QTL are shown on the right side.

2.4 QTL效應(yīng)分析

將在2個(gè)或者超過(guò)2個(gè)環(huán)境下能夠檢測(cè)到的QTL定義為“穩(wěn)定QTL”, 本研究分別在3年和2年環(huán)境下均檢測(cè)到和, 根據(jù)它們的基因型將174個(gè)家系分為4種類型, 用3年赤霉病嚴(yán)重度平均值進(jìn)行類型間的差異分析。38個(gè)家系同時(shí)含有和, 赤霉病嚴(yán)重度范圍9.9%~57.4% (平均32.3%), 多數(shù)家系PSS小于40%, 僅有8個(gè)家系PSS在40%~60%范圍內(nèi); 28個(gè)家系只含有, 赤霉病嚴(yán)重度范圍18.9%~78.8% (平均44.8%), 18個(gè)家系PSS小于50%, 10個(gè)家系PSS在50%~80%范圍內(nèi); 有62個(gè)家系只含有, 赤霉病嚴(yán)重度范圍18.6%~71.3% (平均43.2%), 41個(gè)家系PSS小于50%, 21個(gè)家系PSS在50%~80%范圍內(nèi); 46個(gè)家系不含上述2個(gè)QTL, 赤霉病嚴(yán)重度范圍26.1%~88.0% (平均54.3%), 多數(shù)家系PSS大于40%, 僅有6個(gè)家系PSS在20%~40%范圍。聚合2個(gè)抗性位點(diǎn)的家系比含有1個(gè)抗性位點(diǎn)和不含有抗性位點(diǎn)的家系赤霉病嚴(yán)重度顯著降低(表3)。

表3 揚(yáng)麥16/中麥895 DH群體中存在不同穩(wěn)定赤霉病抗擴(kuò)展QTL家系的赤霉病嚴(yán)重度情況

數(shù)據(jù)后不同字母表示不同基因型間赤霉病嚴(yán)重度差異顯著(< 0.01)。

Values followed by different letters are significant by different in FHB severity among genotypes (< 0.01).

根據(jù)本研究中定位到的效應(yīng)值大于10%的抗性QTL、、和將174個(gè)DH家系分為5種類型, 用3年P(guān)SS平均值進(jìn)行類型間的差異分析。10個(gè)家系同時(shí)含有4個(gè)抗性QTL, 發(fā)病較輕, 平均PSS是30.5%; 46個(gè)家系含有3個(gè)抗性QTL, 平均PSS是36.9%; 65個(gè)家系含有2個(gè)抗性QTL, 平均PSS是41.8%; 46個(gè)家系只含有1個(gè)抗性QTL, 平均PSS是53.84%; 7個(gè)家系不含有任何一個(gè)上述4個(gè)抗性QTL, 平均PSS是67.1% (表4和圖3)。

表4 揚(yáng)麥16/中麥895 DH群體中存在不同赤霉病抗擴(kuò)展QTL家系的赤霉病嚴(yán)重度情況

PSS (percentage of scabbed spikelets)代表赤霉病嚴(yán)重度。#數(shù)據(jù)后不同字母表示不同基因型間赤霉病嚴(yán)重度差異極顯著(< 0.01)。

PSS (percentage of scabbed spikelets) indicates the FHB severity.#Values followed by different letters are significant by different in FHB severity among genotypes (< 0.01).

圖3 DH家系所含QTL數(shù)目與其平均赤霉病嚴(yán)重度的關(guān)系

PSS (percentage of scabbed spikelets)代表赤霉病嚴(yán)重度。

PSS (percentage of scabbed spikelets) indicates the FHB severity.

3 討論

3.1 QTL定位結(jié)果與已知抗赤霉病QTL/基因比較

在揚(yáng)麥16/中麥895 DH群體中共檢測(cè)到6個(gè)赤霉病抗擴(kuò)展QTL, 其中和在多年均可被檢測(cè)到, 是來(lái)源于揚(yáng)麥16的穩(wěn)定QTL位點(diǎn)。根據(jù)比對(duì)結(jié)果,與緊密連鎖, Srinivasachary等[21]報(bào)道附近確實(shí)存在赤霉病抗侵染QTL, 來(lái)源于Spark,可顯著降低小麥對(duì)赤霉病抗侵染能力, 但其與赤霉病抗擴(kuò)展性不相關(guān)[22], Buerstmayr等[23]研究表明攜帶位點(diǎn)的小麥品種易感染赤霉病, 表明較高的株高營(yíng)造的穗部局部低濕度環(huán)境可以減少赤霉病孢子侵染小麥。本研究采用一年CIMMYT溫室單花滴注然后套袋保濕, 兩年揚(yáng)州田間單花滴注試驗(yàn)采取彌霧保濕, 株高對(duì)穗部的微環(huán)境存在一定的影響, 從而影響發(fā)病的嚴(yán)重度。將2017—2019年DH群體株高數(shù)據(jù)平均數(shù)(未發(fā)表資料)與赤霉病嚴(yán)重度平均值進(jìn)行相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)株高均值與赤霉病嚴(yán)重度均值相關(guān)系數(shù)–0.33 (<0.01), 表明該群體赤霉病抗性與株高存在一定相關(guān)性。群體中攜帶抗病等位基因家系的平均株高顯著高于攜帶感病等位基因家系的平均株高(< 0.01), 表明該位點(diǎn)確實(shí)與株高顯著相關(guān)。該位點(diǎn)為“一因多效”或者“緊密連鎖”, 可通過(guò)后續(xù)增加溫室環(huán)境下單花滴注試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。另?yè)?jù)報(bào)道, 小麥粒重基因啟動(dòng)子區(qū)域的單倍型變異除了與粒重相關(guān)外, 還與株高顯著相關(guān)[24], 本研究定位到了位于6AS染色體上的抗赤霉病QTL, DH群體2017—2019年的株高平均值(未發(fā)表資料)與赤霉病嚴(yán)重度平均值相關(guān)系數(shù)為–0.33 (<0.01), 表明該位點(diǎn)的赤霉病抗性與株高也存在一定的關(guān)系。

與來(lái)源于揚(yáng)麥13的位置相近[6]。揚(yáng)麥13的系譜是揚(yáng)88-84//Maris Dove/揚(yáng)麥3號(hào), 揚(yáng)麥3號(hào)是阿夫的紅殼選系; 揚(yáng)麥16的系譜是揚(yáng)麥158優(yōu)系(91F138)/揚(yáng)90-30, 揚(yáng)麥158的系譜是揚(yáng)麥4號(hào)//St1472/506, 揚(yáng)麥4號(hào)的系譜是南大2419/勝利麥1-3-2//阿夫選系。由于揚(yáng)麥品種的親本中存在共同的親本阿夫, 且親緣關(guān)系較近, 推測(cè)與可能是相同抗病位點(diǎn), 后續(xù)我們會(huì)繼續(xù)研究上述材料, 以確定的來(lái)源。

其他QTL僅在1年被檢測(cè)到, 其中和的效應(yīng)值較大, 來(lái)自揚(yáng)麥16?？山忉尡硇妥儺?0.5%, 經(jīng)兩側(cè)標(biāo)記序列與中國(guó)春參考基因組序列比對(duì)發(fā)現(xiàn), 其物理位置區(qū)間是512.7~532.0 Mb, 與已報(bào)道的Wuhan-1中檢測(cè)到的2DL上抗赤霉病位點(diǎn)位置相近(513.1 Mb)[25], Wuhan-1與揚(yáng)麥16均來(lái)自長(zhǎng)江中下游麥區(qū), 推測(cè)可能是相同的QTL。能解釋表型變異14.7%, 經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)無(wú)同位置抗赤霉病QTL報(bào)道, 推測(cè)可能為新的抗赤霉病位點(diǎn)。小麥赤霉病抗性屬于數(shù)量性狀, 發(fā)病受環(huán)境影響很大,還需增加多環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證上述QTL的有效性和穩(wěn)定性。

3.2 抗性改良與QTL/基因聚合

DH家系中僅存在單個(gè)抗赤霉病位點(diǎn)時(shí), 多數(shù)家系的PSS在50%以上, 但當(dāng)存在2位點(diǎn)或者2位點(diǎn)以上的QTL聚合時(shí), 平均PSS明顯降低。聚合包含4個(gè)QTL的家系具有最好的赤霉病抗性, 其中2個(gè)家系的PSS在0~25%區(qū)間, 達(dá)到高抗水平, 其余8個(gè)家系的PSS在25%~50%區(qū)間, 達(dá)到中抗水平, 表明多個(gè)抗病基因聚合能表現(xiàn)出較好的抗性。Jia等[10]報(bào)道與其他赤霉病抗性QTL/基因的聚合能有效提高小麥的赤霉病抗擴(kuò)展和抗侵染水平。Arruda等[11]研究表明, 聚合多個(gè)3B上抗性位點(diǎn)能使赤霉病抗性水平提高。因此, 將多個(gè)抗病基因聚合到同一品種(系)中, 對(duì)于提高赤霉病抗性具有重要意義。

3.3 抗赤霉病基因的利用

我國(guó)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)是赤霉病的常發(fā)區(qū)和重發(fā)區(qū), 國(guó)內(nèi)外廣泛使用的主效抗病基因區(qū)段與不利農(nóng)藝性狀存在連鎖[26], 因此單純利用蘇麥3號(hào)和望水白背景的不足以解決該麥區(qū)赤霉病的危害。關(guān)于這一點(diǎn)程順和等[27]早有闡述, 并提出抗赤霉病育種的第2條路線, 即選用豐產(chǎn)、中感-中抗材料雜交, 后代注重豐產(chǎn), 兼顧抗赤性等選擇, 選育出揚(yáng)麥158、揚(yáng)麥11、揚(yáng)麥16等一批抗赤性與豐產(chǎn)性相結(jié)合的大面積種植品種。揚(yáng)麥系列多數(shù)品種的赤霉病抗性好且遺傳力較強(qiáng)正在被大范圍用作育種親本, 更有價(jià)值的是其抗病基因不是, 需要進(jìn)一步發(fā)掘其中的主效赤霉病抗性QTL并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的標(biāo)記, 為揚(yáng)麥抗赤霉病基因的高效利用奠定基礎(chǔ)。由于多數(shù)抗病揚(yáng)麥品種不具, 將導(dǎo)入揚(yáng)麥背景, 提高抗赤霉病等級(jí), 不失為解決長(zhǎng)江中下游麥區(qū)赤霉病危害的有效途徑, 如揚(yáng)16-157 (含), 其在2017—2019年度國(guó)家小麥良種重大聯(lián)合攻關(guān)試驗(yàn)中表現(xiàn)高抗赤霉病, 與蘇麥3號(hào)相當(dāng), 2017—2018年品比試驗(yàn)中產(chǎn)量為6325.5 kg hm–2, 比對(duì)照揚(yáng)麥20增產(chǎn)7.0%, 2018—2019年品比試驗(yàn)中產(chǎn)量為6886.5 kg hm–2, 比對(duì)照增產(chǎn)4.5%。

4 結(jié)論

揚(yáng)麥16中抗赤霉病, 具有主效QTL, 其中4個(gè)QTL具有較大的表型貢獻(xiàn)率, 2個(gè)QTL多年被檢測(cè)到, QTL聚合能顯著降低小麥赤霉病嚴(yán)重度。揚(yáng)麥系列小麥品種QTL的發(fā)掘可以為小麥抗赤霉病改良提供優(yōu)異基因資源。

[1] Buerstmayr H, Ban T, Anderson J A. QTL mapping and marker-assisted selection forhead blight resistance in wheat: a review., 2009, 128: 1–26.

[2] 吳佳文, 楊榮明, 朱鳳, 田子華. 2015 年江蘇省小麥赤霉病發(fā)生特點(diǎn)與防控對(duì)策探討. 中國(guó)植保導(dǎo)刊, 2016, 36(10): 31–34. Wu J W, Yang R M, Zhu F, Tian Z H. The epidemic characteristics of wheathead blight in Jiangsu province in 2015 and discussion of its control measures., 2016, 36(10): 31–34 (in Chinese).

[3] 張愛(ài)民, 陽(yáng)文龍, 李欣, 孫家柱. 小麥抗赤霉病研究現(xiàn)狀與展望. 遺傳, 2018, 40: 858–873. Zhang A M, Yang W L, Li X, Sun J Z. Current status and perspective on research againsthead blight in wheat., 2018, 40: 858–873 (in Chinese with English abstract).

[4] 史建榮, 劉馨, 仇劍波, 祭芳, 徐劍宏, 董飛, 殷憲超, 冉軍艦. 小麥中鐮刀菌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇污染現(xiàn)狀與防控研究進(jìn)展. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47: 3641–3654. Shi J R, Liu X, Qiu B, Ji F, Xu J H, Dong F, Yin X C, Ran J J. Deoxynivalenol contamination in wheat and its management., 2014, 47: 3641–3654 (in Chinese with English abstract).

[5] Ren J D, Wang Z, Du Z Y, Chen M Z, Zhang Y B, Quan W, Wang Y J, Jiang X, Zhang Z J. Detection and validation of a novel major QTL for resistance tohead blight fromin the terminal region of chromosome 7DL., 2019, 132: 241–255.

[6] Yi X, Cheng J, Jiang Z, Hu W, Bie T, Gao D, Li D, Wu R, Li Y, Chen S, Cheng X, Liu J, Zhang Y, Cheng S. Genetic analysis ofhead blight resistance in CIMMYT bread wheat line C615 using traditional and conditional QTL mapping., 2018, 9: 573. https://doi.org/10.3389/ fpls.2018.00573.

[7] Su Z Q, Bernardo A, Tian B, Chen H, Wang S, Ma H X, Cai S B, Liu D T, Zhang D D, Li T, Trick H, St Amand P, Yu J M, Zhang Z Y, Bai G H. A deletion mutation inconfersresistance tohead blight in wheat., 2019, https://doi.org/10.1038/s41588-019-0425-8.

[8] Li G Q, Zhou J Y, Jia H Y, Gao Z X, Fan M, Luo Y J, Zhao P T, Xue S L, Li N, Yuan Y, Ma S W, Kong Z X, Jia L, An X, Jiang G, Liu W X, Cao W J, Zhang R R, Fan J C, Xu X W, Liu Y F, Kong Q Q, Zheng S H, Wang Y, Qin B, Cao S Y, Ding Y X, Shi J X, Yan H S, Wang X, Ran C F, Ma Z Q. Mutation of a histidine-rich calcium-binding-protein gene in wheat confers resistance tohead blight., 2019, https://doi.org/10.1038/s41588-019-0426-7.

[9] Li T, Luo M, Zhang D, Wu D, Li L, Bai G. Effective marker alleles associated with type 2 resistance tohead blight infection in fields., 2016, 66: 350–357.

[10] Jia H Y, Zhou J Y, Xue S L, Li G Q, Yan H S, Ran C F, Zhang Y D, Shi J X, Jia L, Wang X, Luo J, Ma Z Q. A journey to understand wheathead blight resistance in the Chinese wheat landrace Wangshuibai., 2018, 48–59.

[11] Arruda M P, Brown P, Brown-Guedira G, Krill A M, Thurber C, Merrill K R, Foresman B J, Kolb F L. Genome-wide association mapping ofhead blight resistance in wheat using Genotyping-by-sequencing., 2016,9. https://doi: 10.3835/plantgenome2015.04.0028.

[12] Rasheed A, Wen W E, Gao F M, Zhai S N, Jin H, Liu J D, Guo Q, Zhang Y J, Dreisigacker S, Xia X C, He Z H. Deve-lopment and validation of KASP assays for genes underpinning key economic traits in bread wheat., 2016, 129: 1843–1860.

[13] 張宏軍, 宿振起, 柏貴華, 張旭, 馬鴻翔, 李騰, 鄧云, 買春艷, 于立強(qiáng), 劉宏偉, 楊麗, 李洪杰, 周陽(yáng). 利用基因功能標(biāo)記選擇提高黃淮冬麥區(qū)小麥品種對(duì)赤霉病的抗性. 作物學(xué)報(bào), 2018, 44: 505–511. Zhang H J, Su Z Q, Bai G H, Zhang X, Ma H X, Li T, Deng Y, Mai C Y, Yu L Q, Liu H W, Yang L, Li H J, Zhou Y. Improvement of resistance of wheat cultivars tohead blight in the Yellow-Huai rivers valley winter wheat zone with functional marker selection ofgene., 2018, 44: 505–511 (in Chinese with English abstract).

[14] Yu J B, Bai G H, Cai S B, Ban T. Marker-assisted characterization of Asian wheat lines for resistance tohead blight., 2006, 113: 308–320

[15] Stacey J, Isaac P G. Isolation of DNA from plants., 1994, 28: 9–15.

[16] Cui F, Zhang N, Fan Xiao, Zhang W, Zhao C, Yang L, Pan R, Chen M, Han J, Zhao X, Ji J, Tong Y, Zhang H, Jia J, Zhao G, Li J. Utilization of a wheat 660K SNP array-derived high-density genetic map for high-resolution mapping of a major QTL for kernel number., 2017, https://doi:10.1038/s41598-017-04028-6.

[17] Stam P. Construction of integrated genetic linkage maps by means of a new computer package: JoinMap., 1993, 3: 739–744.

[18] 王建康. 數(shù)量性狀基因的完備區(qū)間作圖方法. 作物學(xué)報(bào), 2009, 35: 239–245. Wang J K. Inclusive composite interval mapping of quantitative trait genes., 2009, 35: 239–245 (in Chinese with English abstract).

[19] Zhai S N, He Z H, Wen W E, Jin H, Liu J D, Zhang Y, Liu Z Y, Xia X C. Genome-wide linkage mapping of flour color-related traits and polyphenol oxidase activity in common wheat., 2016, 129: 377–394.

[20] 李慧慧, 張魯燕, 王建康. 數(shù)量性狀基因定位研究中若干常見(jiàn)問(wèn)題的分析與解答. 作物學(xué)報(bào), 2010, 36: 918–931. Li H H, Zhang L Y, Wang J K. Analysis and answers to frequently asked questions in quantitative trait locus mapping., 2010, 36: 918–931 (in Chinese with English abstract).

[21] Srinivasachary, Gosman N, Steed A, Simmonds J, Leverington- Waite M, Wang Y, Snape J, Nicholson P. Susceptibility tohead blight is associated with thesemi-dwarfing allele in wheat., 2008, 116: 1145–1153.

[22] Srinivasachary, Gosman N, Steed A, Hollins T, Bayles R, Jennings P, Nicholson P. Semi-dwarfingandloci of wheat differ significantly in their influence on resistance tohead blight., 2008, 118: 695–702.

[23] Buerstmaye H, Ban T, Anderson J A. QTL mapping and marker-assisted selection forhead blight resistance in wheat: a review., 2009, 128: 1–26.

[24] Jaiswal V, Gahlaut V, Mathur S, Agarwal P, Khandelwal M K, Khurana J P, Tyagi A K, Balyan H S, Gupta P K. Identification of novel SNP in promoter sequence ofassociated with grain weight and other agronomic traits in wheat (L.)., 2015, 10: e0129400.

[25] Somers D J, Fedak G, Savard M. Molecular mapping of novel genes controllinghead blight resistance and deoxynivalenol accumulation in spring wheat., 2003, 46: 555–564.

[26] 朱展望, 徐登安, 程順和, 高春保, 夏先春, 郝元峰, 何中虎. 中國(guó)小麥品種抗赤霉病基因的鑒定與溯源. 作物學(xué)報(bào), 2018, 44: 473–482. Zhu Z W, Xu D A, Cheng S H, Gao C B, Xia X C, Hao Y F, He Z H. Characterization of Fusarium head blight resistance geneand its putative ancestor in Chinese wheat germplasm., 2018, 44: 473–482 (in Chinese with English abstract).

[27] 程順和, 張勇, 張伯橋, 高德榮, 吳宏亞, 陸成彬, 呂國(guó)鋒, 王朝順. 小麥抗赤霉病育種2條技術(shù)路線的探討. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版), 2003, 24(1): 59–62. Cheng S H, Zhang Y, Zhang B Q, Gao D R, Wu H Y, Lu C B, Lyu G F, Wang C S. Discussion of two ways of breeding scab resistance in wheat.(Agric Life Sci Edn), 2003, 24(1): 59–62 (in Chinese with English abstract).

Mapping and genetic analysis of QTLs forhead blight resistance to disease spread in Yangmai 16

HU Wen-Jing1, ZHANG Yong1, LU Cheng-Bin1, WANG Feng-Ju2, LIU Jin-Dong2, JIANG Zheng-Ning1, WANG Jin-Ping2, ZHU Zhan-Wang2, XU Xiao-Ting2, HAO Yuan-Feng2, HE Zhong-Hu2,3, and GAO De-Rong1,*

1Lixiahe Institute of Agriculture Sciences / Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic Improvement for Low & Middle Yangtze Valley, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangzhou 225007, Jiangsu, China;2National Wheat Improvement Center / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;3CIMMYT-China Office, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

head blight (FHB) resistance of Yangmai wheat cultivars has been paid much attention, but the underlying genetic mechanism is unclear. In recent years, Yangmai 16 is a predominant wheat cultivar durably resistant to FHB in production. A population of 174 double haploid lines (DH) produced by crossing Yangmai 16 (YM16) with the susceptible cultivar Zhongmai 895 (ZM895) was evaluated for FHB response using point inoculation from 2017 to 2019. The DH population was genotyped with wheat 660K SNP array and a high-density genetic map was constructed. Six resistance QTLs were detected, and among them, five were from the resistant parent Yangmai 16 and one from Zhongmai 895.andwere detected at least in two years, explaining 8.8% to 15.0% of the phenotypic variances, respectively.andwere detected only in one year, accounting for 10.5% and 14.7% of the phenotypic variances.andwere detected in one year, too, accounting for 6.4% and 8.3% of the phenotypic variances, respectively. Pyramiding ofmultiple resistant loci with large effects (>10%) is an effective approach to increase FHB resistance. The QTLs identified from Yangmai 16 in the present study will provide a starting point for genetic studies of other Yangmai cultivars, and the QTLs closely linked to markers will be useful for marker-assisted selection in wheat FHB improvement.

;head blight; QTL; marker-assisted breeding

10.3724/SP.J.1006.2020.91048

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31901544), 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-03-03B, CARS-3-2-11), 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0100801, 2017YFD0101802)和江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20171279)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China, China Agriculture Research System (CARS-03-03B, CARS-3-2-11), the National Key Research and Development Program of China, and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20171279).

高德榮, E-mail: gdr@wheat.org.cn

E-mail: huren2008@126.com

2019-07-22;

2019-09-26;

2019-10-09.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20191008.1730.006.html