小麥成株期抗葉銹病基因研究進(jìn)展

隋新霞，崔德周，張榮亭，樊慶琦，布玉成，李永波，黃琛，楚秀生

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東 濟(jì)南 250100；2.濟(jì)南市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250316；3.臨邑縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 臨邑 251500）

小麥葉銹病是由小麥葉銹菌（Puccinia tirticina）引起的真菌性氣傳病害，是世界性廣泛發(fā)生的病害之一，美國(guó)南部、南美洲、加拿大、埃及和我國(guó)大部分麥區(qū)均為該病重要流行區(qū)［1-3］。小麥葉銹病菌主要通過(guò)侵染小麥葉片影響光合作用，進(jìn)而影響籽粒灌漿，導(dǎo)致千粒重降低，通常會(huì)造成10%～40%的減產(chǎn)，嚴(yán)重年份甚至造成絕產(chǎn)［1-3］。20世紀(jì)70年代，墨西哥西北部發(fā)生嚴(yán)重葉銹病，造成減產(chǎn)70%［4］。2015年、2016年我國(guó)黃淮麥區(qū)葉銹病發(fā)生比通常年份早1個(gè)月。2015年全國(guó)麥區(qū)葉銹病大發(fā)生，其中河南省大面積麥田葉片在幾天內(nèi)快速干枯死亡，嚴(yán)重影響小麥正常灌漿，造成嚴(yán)重?fù)p失［5］。隨著全球氣候的變化，葉銹病已經(jīng)由偶發(fā)性病害變成常發(fā)性病害。

選育和利用抗葉銹病品種，是防治該病最為經(jīng)濟(jì)有效和環(huán)境友好的策略。小麥抗葉銹病基因研究，為其抗病品種培育提供了重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代，國(guó)際玉米小麥改良中心（CIMMYT）最早改變其抗病基因研究利用思路，探索成株期抗病基因的研究和利用，50多年的實(shí)踐證明，成株期抗病基因的利用是培育持久抗病品種的重要途徑［6-8］。

1 小麥抗葉銹病基因的類型

一般來(lái)說(shuō)，小麥抗葉銹病基因主要有兩種類型：一類是全生育期抗性基因，也稱為苗期抗性基因，由一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)主效基因控制，表現(xiàn)為高抗或免疫，這類基因的抗性為小種?；钥剐?，為垂直抗性，往往隨著葉銹病菌生理小種的變化而喪失抗性；另一類為成株期抗性，這類抗性大多由微效數(shù)量性狀基因控制，為水平抗性，通常單個(gè)基因的抗病能力較弱，但對(duì)病原菌無(wú)小種?；曰?qū)；匀?。一般多個(gè)基因聚合后表現(xiàn)為中抗或高抗，且抗性持久，是培育持久抗性品種的基礎(chǔ)。Vanderplank［9］提出水平抗性學(xué)說(shuō)，指出非小種特異性的水平抗性是植物保持持久抗性的重要基礎(chǔ)。Singh等［10］研究發(fā)現(xiàn)，聚合4～5個(gè)微效成株抗性基因的小麥材料對(duì)葉銹病呈高抗至免疫，因此，成株抗性基因的利用對(duì)培育持久抗性小麥品種至關(guān)重要。

2 成株期抗葉銹病基因研究

目前正式命名的抗葉銹病基因共79個(gè)，其中僅15個(gè)具有成株期抗性，分別是Lr12、Lr13、Lr22a、Lr22b、Lr23、Lr34、Lr35、Lr46、Lr48、Lr49、Lr67、Lr68、Lr75、Lr77和Lr78［11，12］。

Lr12是最早鑒定的成株期抗葉銹病基因，來(lái)源于普通小麥Exchange和中國(guó)春，位于4BL［13，14］。Lr12不同于大多數(shù)的成株期抗病基因，其抗病性在成株期表達(dá)，但它具有葉銹病小種?；裕瑢儆诖怪笨剐曰?，它對(duì)目前多數(shù)葉銹病小種已喪失抗性，其研究對(duì)于理解不同類型基因的抗病機(jī)制有重要意義［15］。Singh等［14，15］推測(cè)來(lái)源于四倍體二粒小麥的Lr27為L(zhǎng)r12的變形基因，位于4DL上，是苗期抗病基因，且抗性需要互補(bǔ)基因Lr31的存在。Lr27也是一個(gè)兼抗型基因，對(duì)小麥條銹病、白粉病和稈銹病具有抗性，記作Lr27/Yr30/pm48/Sr2。雖然Lr27苗期抗葉銹病，但對(duì)條銹病、白粉病和稈銹病的抗性則屬于成株期抗性。Lr27對(duì)當(dāng)前流行小種不具有抗性，但是該基因的存在對(duì)于成株抗病基因Lr34和Lr46的抗性有增強(qiáng)作用［15］。Lr12和Lr27對(duì)病害的作用機(jī)理也反映出抗病基因作用機(jī)制的復(fù)雜性。

Lr13最早在普通小麥品種Frontana中被鑒定，存在于很多北美的硬紅春小麥品種中，被世界各地的多個(gè)育種單位所應(yīng)用［13，16］。它位于2B染色體上，是成株期抗病基因，對(duì)多數(shù)葉銹病小種表現(xiàn)為水平抗性，距離最近的SSR標(biāo)記GWM630為10 cM，進(jìn)一步開發(fā)緊密連鎖的分子標(biāo)記將有助于該基因在育種中的應(yīng)用［17］。

Lr22a來(lái)源于偏凸山羊草（Aegilops tauschii），通過(guò)人工雜交合成六倍體小麥，后與Thatcher六次回交，育成攜帶Lr22a的品系RL6044。Lr22a是一個(gè)具有廣譜抗性的成株抗病基因，位于2DS染色體上，SSR標(biāo)記GWM296是其緊密連鎖的分子標(biāo)記，該標(biāo)記是來(lái)源于偏凸山羊草基因組的獨(dú)特標(biāo)記，可用于標(biāo)記輔助選擇［18，19］。

Lr22b來(lái)源于普通小麥，在小麥品種Thatcher中鑒定到，并定位在2DS上，與Lr22a位于染色體相近位置，屬成株抗性基因，但該基因的抗病作用較小，所以研究較少［20，21］。

Lr23來(lái)源于硬粒小麥品種Gaza，通過(guò)雜交組合Bobin W39*2／Gaza cross轉(zhuǎn)移到普通小麥中，育成小麥品種Gabo和Timstein［22，23］。McIntosh等［24］將Lr23定位在2BS上。SSR標(biāo)記sun471與Lr23的遺傳距離為0.6 cM，可用于分子標(biāo)記輔助選擇；KASP標(biāo)記sunKASP＿16，sunKASP＿47和sunKASP＿48可以更準(zhǔn)確地選擇四倍體硬粒小麥和普通小麥中的Lr23，是高通量的選擇標(biāo)記，極大提高了Lr23的選擇效率［25］。

Lr34來(lái)源于普通小麥，最初是從一個(gè)中國(guó)小麥地方品種（PI 58548）中鑒定出來(lái)的。20世紀(jì)早期的意大利小麥品種Mentana和Ardito也含有該基因［26，27］。該基因育種應(yīng)用已超過(guò)100年的歷史，它至今仍保持著良好抗性。Dyck［28］利用單體缺體，將Lr34定位在7DS染色體上，隨后多位科學(xué)家利用分子標(biāo)記進(jìn)一步精細(xì)定位了該基因。兩個(gè)分子標(biāo)記SWM10和csLV34被認(rèn)為是比較可靠追蹤Lr34基因的功能標(biāo)記［29，30］。Lagudah等［31］又設(shè)計(jì)了5個(gè)位點(diǎn)特異的位點(diǎn)組合成cssfr1-cssfr5功能標(biāo)記，對(duì)Lr34的鑒定更為精確。Fang等［32］在外顯子11和22開發(fā)的KASP標(biāo)記，可以精確鑒定Lr34的等位變異。Krattinger等［33］利用精細(xì)定位群體進(jìn)一步縮小了Lr34位點(diǎn)的范圍，通過(guò)圖位克隆獲得該基因，它編碼含有1 401個(gè)氨基酸殘基的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，屬于多效耐藥性蛋白亞家族。該基因不僅對(duì)葉銹病具有成株抗性，同時(shí)還對(duì)小麥條銹病、稈銹病、白粉病具有成株抗性，記作Lr34/Yr18/Pm38/Sr57［34］。關(guān)于Lr34抗病性的研究很多，有研究認(rèn)為L(zhǎng)r34在16℃以下可以減緩葉銹病的發(fā)展，高于20℃作用不顯著［21］。Fang等［35］研究表明Lr34的部分抗性可能與其較大比例的錯(cuò)誤剪接體相關(guān)。

Lr35來(lái)源于二倍體小麥屬近緣種擬斯卑爾脫山羊草（Triticum speltoides），定位在2B染色體上［36］。Lr35對(duì)匈牙利、加拿大和美國(guó)的葉銹病小種均有較高水平抗性，對(duì)我國(guó)的葉銹病小種也表現(xiàn)為高水平抗性［37］。利用BCD260F1／35R2引物組合開發(fā)的STS標(biāo)記，可用于標(biāo)記輔助選擇［38］。

Lr46是從CIMMYT小麥品種Pavon76中發(fā)現(xiàn)的抗葉銹病基因，其抗病性與Lr34相似，也是多抗性基因，記作Lr46/Yr29/Pm39/Sr58［39］。目前研究認(rèn)為該基因有兩個(gè)來(lái)源：一個(gè)是南美烏拉圭的小麥地方品種Americano 25e，另一個(gè)是古老的印度品種Sujata［40，41］。SSR標(biāo)記Xwmc44與Lr46的距離為5.6 cM，是較為好用的PCR標(biāo)記，CAPS標(biāo)記csLV46G22是距離Lr46最近的標(biāo)記，可用于分子標(biāo)記輔助選擇［42，43］。

Lr48和Lr49分別來(lái)源于澳大利亞普通小麥Condor和印度普通小麥VL404［44］。Bansal等［45］將Lr48定位在2BS上，與成株抗性基因Lr13連鎖；Lr49定位在4BL上。Nsabiyera等［46］開發(fā)了Lr48的KASP標(biāo)記IWB70147，它在分子標(biāo)記輔助選擇中非常有用；Lr49兩側(cè)標(biāo)記分別為Xbarc163（8.1 cM）和Xwmc349（10.1 cM），在沒(méi)有新標(biāo)記開發(fā)之前，可用于標(biāo)記輔助選擇。Lr48和Lr49都屬于具有廣譜抗性的成株抗病基因，在澳大利亞和印度抗病育種中具有重要作用。

Lr67是從普通小麥里發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)兼抗型基因，最初鑒定于巴基斯坦地方品種（PI 250413）。Hiebert等［47］利用分離群體進(jìn)行連鎖分析，將該基因定位在4DL上，并正式命名為L(zhǎng)r67。Herrera-Foessel等［48，49］將RL6077中的抗條銹病基因Yr46和Lr67定位到4DL染色體的同一區(qū)段，并發(fā)現(xiàn)Lr67/Yr46位點(diǎn)具有稈銹病和白粉病抗性，且呈現(xiàn)旗葉葉尖壞死癥狀，將其命名為多效位點(diǎn)：Lr67/Yr46/Sr55/Pm46/Ltn3。Moore等［50］通過(guò)圖位克隆方法克隆了Lr67，該基因編碼具有514個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，與H＋／單糖轉(zhuǎn)運(yùn) 蛋 白 （H＋／monosaccharide symporter）中 的STP13家族高度相似，該家族有助于己糖（hexose）的跨膜運(yùn)輸。

Lr68來(lái)源于普通小麥品種Parula的成株期抗葉銹病基因，位于7BL上，與小種?；涂谷~銹病基因Lr14b緊密連鎖，分子標(biāo)記Psy1-1和gwm146與該基因緊密連鎖，可用于分子標(biāo)記輔助選擇。含Lr68小麥品種也表現(xiàn)出一定的旗葉干尖的性狀，但是干葉尖的面積比Lr34、Lr67和Lr46輕很多［51］。

Lr75來(lái)源于瑞士普通冬小麥品種Forno，為Singla等［52］鑒定的一個(gè)成株抗性基因，位于1BS上。SSR標(biāo)記gwm604和swm271可用于分子標(biāo)記輔助選擇?？共〗然蛳佃b定顯示，Lr75的抗病性較Lr34稍弱，QTL分析顯示該基因表現(xiàn)出較好的加性效應(yīng)，可與其它基因聚合，提高抗病性。

Lr77來(lái)源于美國(guó)的硬紅冬普通小麥Santa Fe，Kolmer等［53］通過(guò)SNP分析將其定位在3BL上，在IWB10344-IWB73555區(qū)間開發(fā)合適的分子標(biāo)記可用于該基因的標(biāo)記輔助選擇。Lr77的成株期抗性水平與Lr78相近，作為一個(gè)重要的抗病基因可用于持久抗病品種的培育。

Lr78來(lái)自巴西普通小麥品種Toropi，被定位在5DS上，KASP標(biāo)記IWA6289是一個(gè)非常方便用于扶助選擇的分子標(biāo)記。另外，Lr78多年多點(diǎn)田間鑒定表明其抗葉銹效應(yīng)比含有Lr34、Lr46或Lr67的Thatcher品系強(qiáng)［54］。

3 前景與展望

由于氣候變化等原因，新的葉銹病小種不斷出現(xiàn)，全生育期抗性品種很快因病原生理小種的變化而喪失抗性。CIMMYT對(duì)成株抗性系統(tǒng)研究和育種實(shí)踐表明，聚合4～5個(gè)成株抗病基因就能夠?qū)崿F(xiàn)高抗至免疫。因此，開展成株期抗葉銹病基因的開發(fā)和研究，是培育持久抗病品種的基礎(chǔ)［7，10］。

我國(guó)當(dāng)前推廣品種中成株期抗葉銹病基因分布相對(duì)較少。閆曉翠等［55］分析了30個(gè)當(dāng)前生產(chǎn)上大面積種植小麥品種的抗葉銹病基因，僅陜225和小偃81含有Lr46，西農(nóng)979、陜229和貴農(nóng)16可能含有Lr13。僅含有一個(gè)成株抗病基因的品種很難達(dá)到中抗水平，需要聚合多個(gè)成株抗病基因才能培育持久抗病品種。CIMMYT北京辦事處從2000年起，引進(jìn)大批具有成株期抗性的小麥種質(zhì)，同時(shí)我國(guó)科學(xué)家從本地地方品種和育成品種中也鑒定到具有成株期抗性的基因，為我國(guó)聚合成株期抗病基因、培育持久抗病品種提供了親本材料［7］。

數(shù)量性狀特性的成株期抗病基因，在表型鑒定上很難把握，需要多年多點(diǎn)鑒定，因此早期成株期抗病基因研究相對(duì)較少。隨著科學(xué)家對(duì)成株期抗病基因在育種中重要性認(rèn)識(shí)的深入，越來(lái)越多的成株期抗葉銹病基因被鑒定。伴隨分子標(biāo)記的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的成株期抗病基因都已經(jīng)開發(fā)了相應(yīng)的分子標(biāo)記，使得抗病基因的選擇不再依賴準(zhǔn)確的表型鑒定，提高了抗病基因聚合效率。

已定名的成株抗葉銹病基因中僅Lr22a和Lr35來(lái)源于近緣種，而大多數(shù)來(lái)源于普通小麥，說(shuō)明普通小麥?zhǔn)浅芍昕剐曰虻闹匾獊?lái)源。源于普通小麥的抗病基因不存在過(guò)多的外源基因所攜帶的不利基因，這些小麥品種與遠(yuǎn)緣種質(zhì)相比農(nóng)藝性狀良好，育種實(shí)踐中更利于育種家應(yīng)用，是良好的基因來(lái)源。我國(guó)黃淮麥區(qū)的小麥品種，如魯麥21、百農(nóng)64、濰麥8號(hào)等均含有成株抗葉銹病基因，是黃淮麥區(qū)重要的持久抗病育種基因來(lái)源［56，57］。相信隨著育種家對(duì)成株抗性基因重要性認(rèn)識(shí)的不斷深入和基因的不斷發(fā)掘，以及在育種中的廣泛應(yīng)用，持久抗病將成為抗病育種最重要的育種目標(biāo)之一。