普通小麥–六倍體中間偃麥草易位系的抗條銹鑒定及應(yīng)用評(píng)估

王 音 馮志威 葛 川 趙佳佳 喬 玲 武棒棒 閆素仙 鄭 軍,,* 鄭興衛(wèi),,*

普通小麥–六倍體中間偃麥草易位系的抗條銹鑒定及應(yīng)用評(píng)估

王 音1,**馮志威3,**葛 川3趙佳佳2喬 玲2武棒棒2閆素仙2鄭 軍2,3,*鄭興衛(wèi)2,3,*

1山西師范大學(xué)臨汾學(xué)院自然科學(xué)系, 山西臨汾 041000;2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所, 山西臨汾 041000;3山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物遺傳與分子改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西太原 030000

小麥近緣屬種中含有豐富的抗病資源, 前期從普通小麥與六倍體中間偃麥草的雜交、回交后代中, 鑒定獲得穩(wěn)定的小麥易位系新種質(zhì)ZH811。為發(fā)掘和利用該易位系的抗性基因, 對(duì)ZH811進(jìn)行苗期分小種的條銹病鑒定、田間農(nóng)藝性狀考察、分子細(xì)胞學(xué)特性和主要品質(zhì)性狀分析; 利用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA (Random Amplified Polymorphic DNA, RAPD)開發(fā)易位片段的特異標(biāo)記。結(jié)果表明, ZH811苗期對(duì)條銹菌條中29、31、32、33、34以及水源4、5和7號(hào)的混合菌種具有較強(qiáng)的抗性, 其抗性源于5D染色體短臂含有來源于Ee基因組的小片段易位; SCAR標(biāo)記(Sequence Characterized Amplified Region, SCAR)和黑芒可作為易位片段追蹤的分子和形態(tài)標(biāo)記; ZH811的主要農(nóng)藝性狀接近當(dāng)前黃淮北片麥區(qū)的主推品種, HMW-GS組合類型是“1, 17+18, 5+10”, 3個(gè)位點(diǎn)均為優(yōu)質(zhì)亞基, 各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到中強(qiáng)筋的標(biāo)準(zhǔn); 易位片段具有增加穗粒數(shù)的效應(yīng), 不含降低品質(zhì)的連鎖累贅。ZH811可為培育高產(chǎn)、抗病和優(yōu)質(zhì)小麥新品種提供重要的中間材料。

條銹; 易位系; 原位雜交; 分子標(biāo)記

我國(guó)是全球最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó), 總產(chǎn)量常年在1.3億噸左右。條銹病是我國(guó)小麥生產(chǎn)上最重要的真菌病害之一, 可造成數(shù)萬噸的損失[1-2]。培育持久穩(wěn)定的抗病小麥品種是控制條銹病、保障糧食安全、最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的措施[3]。然而, 當(dāng)前我國(guó)有效抗源, 特別是苗期抗源匱乏, 是目前抗病育種的瓶頸。生產(chǎn)上利用的抗病基因多以?；共』?yàn)橹? 大面積單一種植極易造成病原菌生理小種發(fā)生定向選擇, 引起條銹病大流行[1,4]。如新致病類群V26的出現(xiàn), 導(dǎo)致大部分小麥品種喪失抗性, 包括使用近30年含/基因的小麥品種[5]。隨著新致病類群毒力和適應(yīng)性的不斷增強(qiáng), 小麥抗條銹病育種再次成為重中之重。因此, 發(fā)掘和利用新的持久抗病基因資源刻不容緩。

小麥近緣種屬具有抗病蟲、抗旱、耐鹽、抗寒等特點(diǎn), 利用遠(yuǎn)緣雜交和染色體異源重組, 從小麥近緣種屬導(dǎo)入新的抗病片段是提高小麥遺傳多樣性及培育多抗性品種的重要途徑[6-8]。在小麥遠(yuǎn)緣雜交種質(zhì)應(yīng)用方面, 含有、、和等基因的小麥–黑麥1RS·1BL易位系, 含、和的小麥–偏凸山羊草2NS/2AS易位系, 含有長(zhǎng)穗偃麥草抗條銹病基因的小偃系列品系[9], 含有來自彭提卡偃麥草基因的小麥–偃麥草染色體易位系[10], 以及小麥-冰草衍生出的普冰系列品系[11], 都對(duì)小麥抗病育種做出了重要貢獻(xiàn)。絕大多數(shù)易位系因遺傳補(bǔ)償性差或整合的異源片段過長(zhǎng)導(dǎo)致細(xì)胞學(xué)不穩(wěn)定以及與不良性狀連鎖, 從而大大降低其育種價(jià)值, 因此建立含有小片段易位的外源遺傳材料一直倍受重視。

自Lupton和Macer[12]首次提出采用系統(tǒng)命名小麥抗條銹病基因以來, 已有80多個(gè)基因正式公布, 分別為-。這些基因的抗性來源有兩類, 一類來自普通小麥, 另一類來自小麥近緣種屬, 比如基因[13]來自于頂芒山羊草()、[14]來源于擬斯卑爾脫山羊草()、[15]和[16]來源于黑麥()、[17]源于偏凸山羊草()、[18]來源于粗山羊草()、[19]來源于黏果山羊草()、[20]發(fā)現(xiàn)于沙倫山羊草()、[21]來自于卵穗山羊草()、[22]源于三芒山羊草()。盡管在已知抗條銹病基因中, 源于小麥近緣種屬的比例只有11.3%[23], 但因其抗性持久, 均受到小麥育種家和病理學(xué)家的高度重視。

在小麥遺傳改良中, 中間偃麥草是利用最成功的多年生野生近緣植物, 其蘊(yùn)含許多能夠增強(qiáng)抗性、改善品質(zhì)的有益基因, 是小麥遺傳改良的重要基因資源庫[24]。Zhan等[25]和Lang等[26]發(fā)現(xiàn), 偃麥草基因組與小麥之間能發(fā)生高水平的染色體配對(duì), 載有目的基因的染色體更容易與小麥部分同源染色體發(fā)生交換和重組, 使得重組后的染色體在結(jié)構(gòu)上更接近于小麥。六倍體中間偃麥草與小麥雜交形成小麥-中間偃麥草衍生系材料, 在小麥染色體工程研究和育種生產(chǎn)上有很多成功的范例。如中1-中5[27-28]、Otrastsjuskaya[29]、TE-3[30]、TAI8335[31]、TE253[32]和CH13-21[25]等對(duì)條銹病具有很好的抗性。近年來國(guó)內(nèi)小麥育種家陸續(xù)對(duì)中間偃麥草與普通小麥雜交后代中的[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]等多個(gè)源于中間偃麥草的抗條銹病基因進(jìn)行了定位。這些新基因的挖掘豐富了小麥抗病基因源, 為小麥遺傳改良育種提供了寶貴材料, 但攜帶抗病基因的外源片段多數(shù)存在或多或少的連鎖累贅, 可供育種家利用的有效抗源仍然較少。因此, 培育多抗性新抗源, 發(fā)掘新的抗病基因及其緊密連鎖的分子標(biāo)記, 且兼具良好的農(nóng)藝、品質(zhì)性狀, 對(duì)選育多抗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)新品種具有重要意義。

為挖掘中間偃麥草的抗病基因資源, 并為培育抗病品種提供優(yōu)異的中間型育種材料, 本研究前期通過普通小麥與六倍體中間偃麥草雜交后, 獲得的偃麥草易位系材料, 對(duì)其進(jìn)行了苗期分小種條銹病的抗性鑒定、成株期農(nóng)藝性狀的評(píng)估以及細(xì)胞學(xué)水平上的鑒定, 在明確其抗性來源和農(nóng)藝、品質(zhì)性狀的基礎(chǔ)上開發(fā)了SCAR分子標(biāo)記和黑芒的形態(tài)學(xué)標(biāo)記, 以期為更好地利用這些材料奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試條銹菌小種: 條中29、31、32、33號(hào)以及水源4、5、7號(hào)由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供, 條中34號(hào)由西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。試驗(yàn)中用到的植物材料及其信息、用途均在表1中列出。

1.2 易位系ZH811抗病性鑒定

2016和2017年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院)小麥研究所人工氣候室(面積4 m × 5 m)內(nèi), 溫度(17±2)℃, 光照為1000 μmol m?2s?1, 光周期為14 L/10 D進(jìn)行苗期抗病性鑒定。用條中29、31、32、33、34號(hào)以及水源4、5、7號(hào)的混合菌種對(duì)ZH811、ZH577、親本材料及ZH811×ZH577的正反交F2及BC1群體進(jìn)行接種鑒定。參照吳建輝[39]的方法, 小麥二葉期時(shí)接種, 條銹菌與滑石粉按照1∶30比例混勻, 采用抖粉法進(jìn)行接種, 反應(yīng)型按Line和Qayoum[40]的0~9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判定: 0級(jí)為免疫; 1~3級(jí)為高度抗病; 4~6級(jí)為中度抗病; 7級(jí)為中度感病; 8~9級(jí)為高度感病。根據(jù)雙親和雜交后代反應(yīng)型級(jí)別劃分抗感類型, 統(tǒng)計(jì)抗感植株數(shù)。對(duì)ZH811×ZH577的正反交F2、BC1群體計(jì)算分離比例, 以確定抗條銹基因數(shù)目及遺傳特點(diǎn)。

1.3 易位系ZH811的熒光原位雜交細(xì)胞學(xué)鑒定

染色體制片: 將ZH811、晉麥33和臨4133的種子置于墊有2層濾紙的玻璃培養(yǎng)皿內(nèi), 室溫浸泡8 h至萌動(dòng), 置于室溫暗培養(yǎng), 待根長(zhǎng)至1~2 cm時(shí)剪取根尖, 冰水處理36 h; 用卡諾氏固定液(95%乙醇與冰醋酸體積比為3∶1)固定根尖12 h; 將根尖置于1% Pectolyase Y-23果膠酶和2% cellulose Onozuka R-10纖維素酶的混合酶液中, 37℃酶解25~50 min, 再用45%冰醋酸壓片, 相差顯微鏡下觀察中期染色體。選擇分裂相多、染色體分散好的片子, 液氮冷凍揭片, 晾干備用。

表1 試驗(yàn)所需植物材料及信息

標(biāo)記探針: 用Fluorescein-12-dUTP、地高辛(digoxigenin-11-dUTP)或生物素(biotin-16-dUTP)通過切口平移法標(biāo)記DNA, 15℃下標(biāo)記1.5 h, –20℃避光保存?zhèn)溆谩?/p>

熒光原位雜交: 參照崔承齊等[41]的方法進(jìn)行熒光原位雜交。首先以Fluorescein-12-dUTP標(biāo)記的六倍體中間偃麥草基因組DNA為探針進(jìn)行原位雜交, Carl Zeiss CCD獲取圖像。將信號(hào)洗脫后再在同一張制片上以Digoxinin-11-dUTP 標(biāo)記的質(zhì)粒pSc119.2和Biotin-16-dUTP標(biāo)記的質(zhì)粒pAs1進(jìn)行雙色熒光原位雜交, 用DAPI (4’,6-diamidino-2-phenylindole)染色。采用Carl Zeiss CCD和Axiovision Rel. 4.8 (Zeiss, Oberkochen, Germany)采集并分析圖像。

1.4 序列特異擴(kuò)增區(qū)域 (sequence-characterized amplified region, SCAR)標(biāo)記的開發(fā)及有效性

SDS法提取F3姊妹系自交3代后不同株系的DNA。使用正向、反向各10對(duì)隨機(jī)設(shè)計(jì)的RAPD引物[42]進(jìn)行組合, 每個(gè)引物對(duì)分別在退火溫度46、50和54℃進(jìn)行PCR擴(kuò)增。RAPD引物TP7F (5′-CAGGCCCTTCAT-3′) / TP2R (5′-GTGTGCCCCA AC-3′)、SCAR標(biāo)記引物D-1F (5′-ACTTGCTCCTG AAGCCATCA-3′) / D-2R (5′-AAGTGAAGCCCAG CAAGCG-3′)均委托生工生物工程(上海)股份有限公司合成。25 μL PCR反應(yīng)體系: 模板DNA 100 ng、10× PCR buffer 2.5 μL、2.5 mmol L?1dNTPs 2 μL、5 U μL?1DNA聚合酶0.3 μL、10 μmol L?1引物2 μL、ddH2O加至25 μL。PCR反應(yīng)程序: 94℃預(yù)變性5 min; 94℃變性30 s, 46℃/50℃/54℃退火30 s, 72℃延伸1 min, 35個(gè)循環(huán); 72℃再延伸10 min。2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè), 篩選特異片段切膠回收, 由生工生物工程(上海)股份有限公司測(cè)序。將序列結(jié)果與GenBank中已知的小麥序列進(jìn)行比對(duì), 當(dāng)同源性低于50%時(shí), 將其視為中間偃麥草染色體特異序列, 根據(jù)特異序列利用Primer 5.0軟件設(shè)計(jì)SCAR標(biāo)記。

為了驗(yàn)證所開發(fā)SCAR標(biāo)記與苗期條銹病抗性的關(guān)系, 條銹菌(CYR32和CYR34)對(duì)ZH811×ZH577的DH群體共80個(gè)株系進(jìn)行抗性檢測(cè), 驗(yàn)證SCAR標(biāo)記的有效性。DH群體CYR32和CYR34的接種試驗(yàn)委托西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.5 ZH811農(nóng)藝性狀調(diào)查

2016—2017和2017—2018年度, 在山西省臨汾市堯都區(qū)小麥研究所韓村試驗(yàn)基地(36°06′24″N, 111°30′55″E)進(jìn)行ZH811、ZH577和ZH811×ZH577 DH群體80個(gè)株系的農(nóng)藝性狀檢測(cè)。田間種植采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì), 3次重復(fù); 小區(qū)行長(zhǎng)2 m, 株距10 cm, 行距25 cm, 記錄抽穗期和成熟期, 每個(gè)重復(fù)小區(qū)隨機(jī)選取10株對(duì)株高、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等性狀進(jìn)行調(diào)查。為明確5D易位片段與主要農(nóng)藝性狀的關(guān)系, 對(duì)DH群體80個(gè)株系的千粒重、穗粒數(shù)、小穗數(shù)和株高進(jìn)行分析。

1.6 ZH811 HMW-GS的鑒定及品質(zhì)分析

參照趙佳佳等[43]方法進(jìn)行HMW-GS鑒定和品質(zhì)分析。隨機(jī)選取ZH811、晉麥33號(hào)、師欒02-1、煙農(nóng)19和中國(guó)春各個(gè)品種(系) 3~5粒種子用于谷蛋白的提取, 采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)方法測(cè)定HMW-GS組成, 對(duì)照品種為中國(guó)春(Null, 7+8, 2+12)、師欒02-1 (1, 7+9, 5+10)以及煙農(nóng)19 (1, 17+18, 5+10)。

DA7200型近紅外儀(瑞典Perten)測(cè)定籽粒蛋白質(zhì)含量; 旋風(fēng)磨3100 (Perten, Sweden)磨粉, 出粉率為70%左右; 潤(rùn)麥加水量為16.5%, 時(shí)間16~18 h, 磨粉后用于Zeleny沉降值、粉質(zhì)及拉伸參數(shù)的測(cè)定。德國(guó)Brabender公司搖床按照AACC 56-63方法測(cè)定Zeleny沉降值, 結(jié)果校正到14%水分含量。德國(guó)Brabender公司生產(chǎn)的粉質(zhì)儀和拉伸儀, 分別按照AACC-54-21和AACC-54-10方法測(cè)定面團(tuán)形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、延伸性、最大抗延阻力以及拉伸面積等參數(shù)。參照國(guó)標(biāo)小麥品種品質(zhì)分類(GB/T 177320-2013)中各品質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)筋、中強(qiáng)筋、中筋和弱筋的分類標(biāo)準(zhǔn), 評(píng)價(jià)ZH811的強(qiáng)筋類型。

1.7 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算, 利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析, 采用最小顯著差數(shù)(LSD)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 易位系ZH811抗條銹性狀的來源與遺傳分析

中間偃麥草Z1141和ZH811對(duì)條中29、31、32、33、34號(hào)以及水源4、5、7號(hào)條銹菌生理小種的混合菌種均表現(xiàn)近免疫或高抗, 而中國(guó)春、晉麥33和臨4133以及ZH577對(duì)混合菌均表現(xiàn)高感, 表明ZH811苗期具有較強(qiáng)的條銹病抗性, 由其系譜分析推測(cè)抗條銹基因可能來自于中間偃麥草Z1141 (圖1)。

苗期抗病性鑒定結(jié)果顯示ZH811×ZH577正反交F2及BC1群體單株出現(xiàn)抗感分離。其中正反交F2群體的抗感分離均符合3∶1分離比(2分別為0.12和0.01), 而BC1群體符合1∶1分離比(表2), 說明ZH811的抗病性狀是由顯性單基因控制。

2.2 易位系ZH811的細(xì)胞學(xué)鑒定

ZH811和ZH577均為42條染色體。以六倍體中間偃麥草基因組DNA為探針、中國(guó)春基因組DNA為封阻的原位雜交結(jié)果顯示, ZH811攜帶的易位片段在染色體端部有綠色信號(hào)(圖2-A), 調(diào)節(jié)探針與封阻DNA的比例后沒有發(fā)現(xiàn)其他外源片段。利用pAS1和pSC119.2區(qū)分染色體時(shí), 外源易位片段位于小麥5D染色體短臂端部(圖2-B)。ZH577、晉麥33和臨4133中也均未檢測(cè)到外源易位片段(圖2-C~F), 說明ZH811中的易位片段來源于中間偃麥草。ZH811表現(xiàn)為高抗條銹病, 推測(cè)易位片段含有抗病基因, 將該基因暫命名為。

表2 ZH811和ZH577后代群體中抗、感單株數(shù)和分離比適合性檢驗(yàn)

A, C, E: 利用中國(guó)春基因組做封阻, 中間偃麥草基因組為探針的GISH分析; B, D, F: 利用探針pAs1 (綠色信號(hào))和pSc119.2 (紅色信號(hào))進(jìn)行FISH分析。白色箭頭指示小麥–中間偃麥草易位片段(A)和5D染色體(B~F)。標(biāo)尺為10 μm。

A, C, E: GISH using genomic DNA ofas probe, genomic DNA of Chinese Spring as block. B, D, F: FISH using probespAs1 (green signal) and pSc119.2 (red signal). Arrows show the wheat–chromosome translocations (A) or chromosome 5D (B–F). Bar = 10 μm.

2.3 特異性序列擴(kuò)增標(biāo)記SCAR的開發(fā)及抗病有效性檢測(cè)

利用RAPD引物對(duì)TP7F擴(kuò)增時(shí), ZH811和ZH577均能擴(kuò)增出差異片段(圖3-A); GenBank比對(duì)結(jié)果顯示, 該片段沒有與小麥基因組相似性高的序列, 推斷其可能為偃麥草基因組序列(GenBank登錄號(hào)為MN840590)。利用SCAR標(biāo)記引物對(duì)擴(kuò)增時(shí), ZH811、二倍體長(zhǎng)穗偃麥草(EeEe)和中間偃麥草(StStEeEeEbEb)均能夠擴(kuò)增出180 bp目的條帶, 而ZH577、百薩偃麥草(EbEb)和擬鵝觀草(StSt)以及小麥親本中未擴(kuò)增出目的條帶(圖3-B), 表明ZH811的5D染色體易位片段來自Ee基因組, SCAR可以作為含有易位片段的鑒定標(biāo)記。

SCAR標(biāo)記的抗病有效性檢測(cè)結(jié)果顯示, ZH811×ZH577 DH群體的80個(gè)株系中, 44個(gè)株系含有易位片段的株系表現(xiàn)為抗病, 36個(gè)株系不含易位片段的株系均為感病, 經(jīng)卡方分析抗感比接近1∶1 (2=0.80,=0.37), 證明了ZH811的苗期抗性來源于易位片段(圖4)。此外, 含有易位片段的株系均為黑芒, 可作為易位片段鑒定的形態(tài)標(biāo)記。

A: ZH811和ZH577的RAPD擴(kuò)增(對(duì)應(yīng)泳道從左到右分別是DL2000 marker、ZH811和ZH577退火溫度46℃擴(kuò)增、ZH811和ZH577退火溫度50℃擴(kuò)增、ZH811和ZH577退火溫度54℃擴(kuò)增); 白色箭頭指示ZH811和ZH577擴(kuò)增出的差異條帶; B: SCAR標(biāo)記不同材料中的擴(kuò)增結(jié)果(對(duì)應(yīng)泳道從左到右分別是DL2000 marker、ZH811、ZH577、中國(guó)春CS、臨4133、晉麥33、中間偃麥草ZH1141、二倍體長(zhǎng)穗偃麥草PI98526、百薩偃麥草PI531712、擬鵝觀草PI313960、ddH2O);

A: RAPD analysis of ZH811 and ZH577 (The corresponding lanes from left to right are DL2000 marker, ZH811 and ZH577 withmat 46℃, ZH811 and ZH577 withmat 50℃, ZH811 and ZH577 withmat 54℃; Arrows show the differential band amplified between ZH811 and ZH577; B: PCR patterns of SCAR marker (The corresponding lanes from left to right are DL2000 marker, ZH811, ZH577, CS, Lin 4133, Jinmai 33,ZH1141,PI98526,PI531712,, ddH2O).

2.4 易位系ZH811的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

ZH811和ZH577均為半冬性, 全生育期240 d左右, 千粒重40 g以上, 株高為70~80 cm之間。植株健壯, 葉色偏深, 主要農(nóng)藝性狀接近當(dāng)前推廣品種; 此外, ZH811為黑芒, 而ZH577為白芒(圖5)。ZH811穗粒數(shù)顯著多于非易位ZH577 (<0.05), 株高、小穗數(shù)和穗長(zhǎng)也略有增加。

DH群體80個(gè)株系中, 含有易位片段的44個(gè)株系和不含有易位片段的36個(gè)株系, 平均穗粒數(shù)分別為46.4個(gè)和42.6個(gè), 兩者之間差異顯著(<0.05); 含易位株系的平均株高(74.49 cm)和平均小穗數(shù)(20.24個(gè)), 高于不含易位株系的平均株高(73.26 cm)和平均小穗數(shù)(20.12個(gè)), 但差異不顯著。含有易位片段株系和不含易位片段株系的千粒重分別為44.68 g和45.29 g, 差異不顯著(圖6), 說明除條銹抗性外, 易位片段還具有增加穗粒數(shù)的效應(yīng)。

*,< 0.05

2.5 ZH811的品質(zhì)檢測(cè)以鑒定易位片段的品質(zhì)性狀遺傳效應(yīng)

SDS-PAGE檢測(cè)表明, ZH811和ZH577的HMW-GS類型是“1, 17+18, 5+10”,、和位點(diǎn)均為優(yōu)質(zhì)亞基(圖7)。

ZH811的蛋白質(zhì)含量、沉降值、濕面筋含量、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、最大拉伸阻力和拉伸面積分別為14.57%、30.25 mL、32.87%、5.82 min、7.88 min、368.00 E.U.和88.00 cm2, ZH577分別為14.96%、32.84 mL、32.26%、5.75 min、8.15 min、342.00 E.U.和89.00 cm2, 兩者之間差異不顯著, 但均顯著高于對(duì)照良星99, 表明易位片段中沒有降低品質(zhì)的連鎖累贅。各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)照良星99, 粗蛋白含量(干基)、濕面筋含量、穩(wěn)定時(shí)間、最大拉伸阻力均達(dá)到中強(qiáng)筋的標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

3 討論

本文通過小麥與中間偃麥草雜交, 獲得了偃麥草的Ee染色體與小麥的5D染色體產(chǎn)生自發(fā)易位的抗病材料。Hu等[44]報(bào)道了來源于十倍體長(zhǎng)穗偃麥草染色體6Js抗條銹基因的6Js(6B)代換系X005; 還有十倍體長(zhǎng)穗偃麥草St基因組小片段染色體易位到小麥4D染色體產(chǎn)生的抗條銹病材料[45], 目前尚未見到有5D染色體與Ee基因組易位的抗性材料, 推測(cè)可能是新的抗條銹基因。

從左到右依次為師欒02-1 (SL02-1)、ZH811、煙農(nóng)19 (YN19)、晉麥33號(hào)(JM33)、中國(guó)春(CS)。圖中數(shù)字表示各條帶代表的高分子量麥谷蛋白亞基類型。

The corresponding lanes from left to right are Shiluan 02-1 (SL02-1), ZH811, Yannong 19 (YN19), Jinmai 33 (JM33), and Chinese Spring (CS). The numbers in this figure indicate the types of HMW-GS represented by each band.

表3 不同材料的品質(zhì)性狀

表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤。同列不同小寫字母表示經(jīng)LSD法檢驗(yàn)在< 0.05水平差異顯著。

Data are means ± SE. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at< 0.05 by LSD test.

缺少特異標(biāo)記是眾多易位系難以應(yīng)用于生產(chǎn)的限制因素, 由于缺乏有效標(biāo)記, 導(dǎo)致這些材料很難在選育過程中被追蹤。本文通過RAPD獲得了易位片段的SCAR標(biāo)記, 可以直接用于抗病分子標(biāo)記輔助育種。形態(tài)學(xué)標(biāo)記包括可被觀測(cè)到的莖、葉、穗和籽粒的色澤、性狀或大小。李振聲等[46]利用4E染色體藍(lán)色胚乳標(biāo)記用于藍(lán)粒單體系的培育, Miller和Reader[47]利用遠(yuǎn)緣種質(zhì)將紫胚芽鞘和紫稈性狀定位于第七同源群染色體短臂, 將紅粒及脆穗軸基因定位在第三同源群上, 將黑穎殼基因定位于第一同源群上; 李淑梅等[48]利用護(hù)穎穎基剛毛性狀辨認(rèn)含有簇毛麥2V短臂的雜交后代; Xin等[49]利用芽鞘顏色分離中間偃麥草7Ai-1上抗黃矮病基因, 并利用籽粒形狀, 長(zhǎng)芒、短芒作為形態(tài)標(biāo)記。關(guān)于芒色作為形態(tài)標(biāo)記的研究比較少見, 有研究表明在1A染色體上,與紅穎基因和護(hù)穎茸毛基因連鎖, 因此攜帶材料會(huì)出現(xiàn)黑芒、護(hù)穎茸毛性狀[50-51]。ZH811易位片段具有的黑芒特性可作為形態(tài)標(biāo)記, 與分子標(biāo)記相比, 形態(tài)標(biāo)記在田間觀察更為簡(jiǎn)便直接, 也便于在發(fā)病不充分的地區(qū)進(jìn)行育種選擇; 此外, 目前關(guān)于小麥芒色基因的報(bào)道較少, 目前僅在小麥1AS和1D染色體上定位到控制芒色的基因[52-53], ZH811也為芒色基因的克隆提供了材料。

目前源于黑麥、簇毛麥的抗病基因、和被廣泛用于小麥育種和生產(chǎn)。然而, 外源抗病材料的利用仍然較少。究其原因, 一是外源染色體臂或區(qū)段常導(dǎo)致易位系細(xì)胞學(xué)不穩(wěn)定, 二是連鎖累贅大大降低了利用價(jià)值。如1BL/1RS易位系已在世界范圍廣泛推廣, 大大提高了材料的綜合抗性和產(chǎn)量性狀, 但連鎖的黑麥堿基因嚴(yán)重影響了小麥品質(zhì)[54]。ZH811是六倍體中間偃麥草染色體片段與小麥5D染色體產(chǎn)生的小片段易位品系, 具有苗期條銹病抗性高和增加穗粒數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。此外, ZH811的位點(diǎn)均為優(yōu)質(zhì)亞基, 未發(fā)現(xiàn)降低品質(zhì)的連鎖累贅, 在當(dāng)前高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低耗的育種要求下具有較大利用價(jià)值。目前ZH811的苗期條銹病抗性得到準(zhǔn)確鑒定, 該株系成株期綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良, 且具有特異的形態(tài)和分子標(biāo)記, 可直接用于高產(chǎn)、抗病和優(yōu)質(zhì)小麥新品種的選育; 成株抗性利用在小麥抗病育種中尤為重要[55-56], 在選育過程中缺乏穩(wěn)定的成株期鑒定條件, ZH811成株期抗性和相關(guān)抗性機(jī)制將是下一步研究的主要任務(wù)。

4 結(jié)論

本研究從普通小麥和六倍體中間偃麥草雜交、回交后代中鑒定出苗期高抗條銹病的易位系材料ZH811, 其抗性源于5D染色體短臂含有來源于Ee基因組的小片段易位。ZH811的主要農(nóng)藝性狀接近當(dāng)前黃淮北片麥區(qū)的主推品種, 各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)達(dá)到中強(qiáng)筋的標(biāo)準(zhǔn), 可為培育高產(chǎn)、抗病和優(yōu)質(zhì)小麥新品種提供重要的中間材料。

致謝 感謝云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院顧堅(jiān)研究員在DH群體構(gòu)建過程, 以及西北農(nóng)林科技大學(xué)王琪琳博士在材料條銹病鑒定中給予的幫助和支持。

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Identification of seedling resistance to stripe rust in wheat–translocation line and its potential application in breeding

WANG Yin1,**, FENG Zhi-Wei3,**, GE Chuan3, ZHAO Jia-Jia2, QIAO Ling2, WU Bang-Bang2, YAN Su-Xian2, ZHENG Jun2,3,*, and ZHENG Xing-Wei2,3,*

1Department of Natural Sciences, Shanxi Normal University, Linfen 041000, Shanxi, China;2Institute of Wheat Research, Shanxi Agricultural University, Linfen 041000, Shanxi, China;3College of Agriculture, Shanxi Agricultural University / Shanxi Key Laboratory of Crop Genetics and Molecular Improvement, Taiyuan 030000, Shanxi, China

There are abundant disease resistance resources in relative genus of wheat. The translocation line ZH811 derived from progeny of wheat andhybrids, was selected for evaluation of stripe rust resistance. A series of stripe rust races such as CYR29, CYR31, CYR32, CYR33, CYR34, Suwon-4, Suwon-5, and Suwon-7 were used to record stripe responses at seedling stage. Agronomical traits, quality traits, and molecular cytogenetic analysis were also performed. Moreover, specific molecular markers located on alien segment was developed by RAPD method. The results indicated that ZH811 was highly resistant to all tested races at seedling stage. And it further proved that the resistance was conferred by a small-fragment-translocation from the Eegenome on 5DS chromosome. The SCAR markers and black awn traits could be used to trace the translocation fragment. ZH811 possessed similar agronomic traits with the commercial cultivars in the Yellow-Huaihe-Haihe Rivers region of wheat. The translocation fragment may be associated with the increase of grain number. The components of thewere good-quality subunits, including 1, 17+18, and 5+10, and each quality index met the standard of moderate gluten. The alien chromosomal fragment had no obvious linkage drag to grain quality performance. Based on these findings, ZH811 could be used as a potential material for wheat breeding in high yield, disease resistance, and high quality.

stripe rust; translocation line; in situ hybridization; molecular marker

10.3724/SP.J.1006.2021.01082

本研究由中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2020M670701), 山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(201903D221074, 201903D221075)和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(201705D111008-22)資助。

This study was supported by the China Postdoctoral Science Foundation (2020M670701), the Key Research and Development Program in Shanxi Province (201903D221074, 201903D221075), and the Shanxi Key Laboratory Program (201705D111008-22).

鄭興衛(wèi), E-mail: smilezxw@126.com; 鄭軍, E-mail: sxnkyzj@126.com

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

王音, E-mail: wangyinstar@163.com

2020-10-22;

2021-01-13;

2021-03-02.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210302.1431.002.html