甘蔗新品種及主栽品種對(duì)褐銹病抗性與Bru1基因分子檢測(cè)

張榮躍 王曉燕 楊 昆 單紅麗 倉曉燕 李 婕 王長秘 尹 炯 羅志明 李文鳳 黃應(yīng)昆

云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所 / 云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南開遠(yuǎn) 661699

甘蔗銹病是世界性的甘蔗重要病害之一, 根據(jù)癥狀和病原特征, 甘蔗銹病分為 2種類型, 即由黑頂柄銹菌(Puccinia melanocephalaH. Sydow & P. Sydow.)引起的甘蔗褐銹病和由屈恩柄銹菌(Puccinia kuehniiButler.)引起的甘蔗黃銹病[1-3]。我國蔗區(qū)發(fā)生的甘蔗銹病以褐銹病為主,黃銹病僅在局部蔗區(qū)的少數(shù)品種上零星發(fā)生[4]。甘蔗褐銹病于 1890年首次報(bào)道發(fā)生在印度尼西亞爪哇島[5], 目前在世界許多植蔗國家和地區(qū)均有分布, 時(shí)常發(fā)生流行、危害成災(zāi), 經(jīng)濟(jì)損失巨大[1,6-9]。甘蔗褐銹病于 1982年在云南耿馬蔗區(qū)發(fā)生流行[10], 隨后我國大陸各甘蔗種植區(qū)均有報(bào)道和分布[11-14]。多年來, 甘蔗褐銹病在我國主產(chǎn)蔗區(qū)時(shí)有發(fā)生, 是危害甘蔗最為嚴(yán)重的真菌病害之一[15-18]。2015—2019年, 云南、廣西甘蔗主產(chǎn)區(qū)因感病品種粵糖60號(hào)、德蔗 03-83、巴西 45號(hào)、柳城03-1137、桂糖 29號(hào)等規(guī)?；B片種植, 加上連年雨季早、持續(xù)期長、多雨高濕誘發(fā)甘蔗褐銹病大面積暴發(fā)成災(zāi), 減產(chǎn)減糖嚴(yán)重[2,18],褐銹病已成為蔗糖產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要障礙因素之一。因此, 及時(shí)了解現(xiàn)有品種對(duì)褐銹病的抗病性和抗病基因分布狀況, 對(duì)選育抗病品種、有效防控該病害具有重要意義。

國內(nèi)外研究表明, 不同甘蔗品種對(duì)甘蔗褐銹病抗性不一, 選種抗病品種是控制甘蔗褐銹病最經(jīng)濟(jì)有效的措施, 一些國家通過培育和選用抗病品種, 加強(qiáng)田間水肥管理和早期監(jiān)測(cè)與綜合防控, 甘蔗褐銹病得到了有效控制[19-22]。自20世紀(jì)90年代, 國外學(xué)者在甘蔗抗病基因發(fā)掘上取得實(shí)效, 利用與抗病基因緊密連鎖的分子標(biāo)記發(fā)現(xiàn)在甘蔗品種R570存在1個(gè)抗褐銹病基因Bru1[23-24], 并開發(fā)出與Bru1密切相關(guān)的2個(gè)分子標(biāo)記R12H16、9O20-F4用于品種資源檢測(cè)[25-26], 這為充分發(fā)掘和利用品種抗性進(jìn)行合理布局有效防控甘蔗褐銹病奠定了基礎(chǔ)。而近年我國各甘蔗育種單位聯(lián)合攻關(guān)選育的一批甘蔗優(yōu)良新品種, 其對(duì)甘蔗褐銹病的抗性和Bru1基因分布狀況不清, 各蔗區(qū)在選用抗病新品種進(jìn)行品種合理布局和有效防控甘蔗褐銹病缺乏依據(jù)。為此, 本研究結(jié)合甘蔗新品種區(qū)域化試驗(yàn)病情調(diào)查, 于2016—2019年對(duì)中國近年選育的60個(gè)優(yōu)良新品種和 34個(gè)主栽品種進(jìn)行褐銹病抗性評(píng)價(jià)及Bru1基因的PCR檢測(cè), 以期篩選抗褐銹病品種、發(fā)掘抗源種質(zhì), 為生產(chǎn)上品種合理布局和有效防控甘蔗褐銹病提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

國家糖料甘蔗區(qū)域試驗(yàn)的60個(gè)優(yōu)良新品種(表1)和云南、廣西蔗區(qū)34個(gè)主栽品種見表2, 區(qū)試對(duì)照品種新臺(tái)糖22號(hào), 含Bru1基因抗病對(duì)照品種R570[23]和新臺(tái)糖1號(hào)[23],感病對(duì)照品種粵糖60號(hào)。

1.2 新品種抗性鑒定

于2016—2017年和2018—2019年在云南開遠(yuǎn)區(qū)域化試驗(yàn)站進(jìn)行優(yōu)良新品種區(qū)域化試驗(yàn), 以新臺(tái)糖22號(hào)為區(qū)試對(duì)照種, 以含Bru1基因新臺(tái)糖1號(hào)及R570和粵糖60號(hào)分別作為抗病和感病對(duì)照品種, 采用隨機(jī)區(qū)組排列, 各供試品種3次重復(fù), 每小區(qū)種植5行, 行長6 m, 種植行距1 m,每小區(qū)面積30 m2。在試驗(yàn)田周圍和每隔2個(gè)供試品種種植2行高感褐銹病品種粵糖60號(hào), 盡可能為各供試品種感病提供侵染菌源。

結(jié)合區(qū)域試驗(yàn), 分別于每年 9月至10月感病對(duì)照品種充分發(fā)病時(shí)調(diào)查供試品種新植蔗和宿根蔗發(fā)病情況,對(duì)各供試品種進(jìn)行1年新植和1年宿根抗性評(píng)價(jià)。各供試品種每重復(fù)選定中間3行連續(xù)調(diào)查100株有效蔗株的發(fā)病情況, 3個(gè)重復(fù)共調(diào)查300株, 目測(cè)完全展開的全部葉片感病狀況及侵染面積百分率。參照 Costet等[26]的評(píng)價(jià)方法按1～9級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行褐銹病抗性評(píng)價(jià)。

1.3 主栽品種抗性鑒定

2016—2019年對(duì)云南臨滄、云南普洱、云南玉溪和廣西宜州蔗區(qū)代表性主栽品種、新植蔗與宿根蔗進(jìn)行抗性評(píng)價(jià), 分別于每年9月至10月感病品種粵糖60號(hào)或桂糖46號(hào)充分發(fā)病時(shí)調(diào)查主栽品種新植蔗和宿根蔗發(fā)病情況。各主栽品種、新植蔗與宿根蔗選擇代表性田塊采用3點(diǎn)取樣,每點(diǎn)連續(xù)調(diào)查100株有效蔗株的發(fā)病情況, 目測(cè)完全展開的全部葉片感病狀況及侵染面積百分率。按1.2的方法進(jìn)行抗性評(píng)價(jià)。

1.4 Bru1基因的PCR檢測(cè)

分別采集各品種充分展開的第 1片新葉提取其總DNA, 參照Costet等[26]和李文鳳等[28]的方法進(jìn)行Bru1基因的PCR檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 新品種對(duì)褐銹病抗性鑒定結(jié)果

田間自然發(fā)病下抗性鑒定結(jié)果表明, 開遠(yuǎn)區(qū)試點(diǎn)新植、宿根、抗病對(duì)照品種新臺(tái)糖1號(hào)和R570均表現(xiàn)高抗, 感病粵糖60號(hào)表現(xiàn)高感2, 抗性穩(wěn)定、一致。60個(gè)供試新品種新植、宿根病情一致, 高抗至中抗的有41個(gè), 占68.33%;中感到高感2的有19個(gè), 占31.67%。其中粵甘48、福農(nóng)09-2201、桂糖 08-120、柳城 09-15、中蔗 1 號(hào)、云蔗 08-1609、云瑞10-187、德蔗12-88等15個(gè)新品種表現(xiàn)高抗, 占25%;粵甘50、福農(nóng)08-3214、桂糖06-1492、柳城09-19、中蔗6號(hào)、云蔗11-1074、云瑞10-701、德蔗09-78、中糖1201等16個(gè)新品種表現(xiàn)抗病, 占26.67%; 粵甘53、福農(nóng)07-3206、桂糖06-2081、中蔗10號(hào)、云瑞11-450、中糖 1202等10個(gè)新品種表現(xiàn)中抗, 占16.67%; 粵甘47、福農(nóng)10-14405、海蔗22號(hào)、中糖1301四個(gè)新品種表現(xiàn)中感, 占6.67%; 粵甘52、閩糖07-2005、柳城07-150、云瑞12-263等11個(gè)新品種表現(xiàn)感病, 占18.33%; 桂糖13-386、粵甘43、粵甘49、云蔗09-1601四個(gè)新品種表現(xiàn)高感, 占6.67% (表1)。

表1 甘蔗新品種對(duì)褐銹病菌的抗性與Bru1基因PCR檢測(cè)結(jié)果Table 1 PCR detection of Bru1 and evaluation of field resistance to Puccina melanocephala in new sugarcane varieties

(續(xù)表 1)

2.2 主栽品種抗褐銹病鑒定結(jié)果

34個(gè)主栽品種不同蔗區(qū)新植、宿根病級(jí)一致, 高抗至中抗的有25個(gè), 占73.53%; 中感到高感2的有9個(gè), 占26.47%。其中新臺(tái)糖1號(hào)、新臺(tái)糖22號(hào)、粵糖86-368、盈育91-59等16個(gè)主栽品種表現(xiàn)高抗, 占47.06%; 5個(gè)主栽品種粵糖93-159、粵糖00-236、云蔗03-258、云蔗05-49和川糖 79-15表現(xiàn)抗病, 占 14.71%; 4個(gè)主栽品種云蔗05-51、云引10號(hào)、桂糖11號(hào)和桂糖36號(hào)表現(xiàn)中抗, 占11.76%; 2個(gè)主栽品種柳城05-136和桂糖42號(hào)表現(xiàn)中感,占5.88%; 3個(gè)主栽品種桂糖29號(hào)、桂糖44號(hào)、德蔗03-83表現(xiàn)感病, 占8.82%; 4個(gè)主栽品種柳城03-1137、粵糖60號(hào)、巴西45號(hào)和桂糖46號(hào)表現(xiàn)高感, 占11.76% (表2)。

2.3 Bru1基因的PCR檢測(cè)

PCR檢測(cè)結(jié)果表明, 含Bru1的抗病對(duì)照品種新臺(tái)糖1號(hào)和R570均分別穩(wěn)定擴(kuò)增出 2個(gè)目的條帶, 而感病對(duì)照品種粵糖60號(hào)未能擴(kuò)出2個(gè)目的條帶; 60個(gè)供試新品種中有36個(gè)抗病新品種擴(kuò)增出2個(gè)目的條帶, 表明含有Bru1基因, 頻率為60%, 其余5個(gè)抗病和19個(gè)感病新品種未能擴(kuò)出2個(gè)目的條帶(表1); 34個(gè)供試主栽品種中有18個(gè)抗病主栽品種擴(kuò)增出2個(gè)目的條帶, 證明含有Bru1基因, 頻率為52.94%, 其余7個(gè)抗病和9個(gè)感病主栽品種未能擴(kuò)出2個(gè)目的條帶(表2)。

3 討論

甘蔗褐銹病是為害甘蔗葉部的重要流行性真菌病害, 不同甘蔗品種對(duì)甘蔗褐銹病抗性不一, 篩選抗病品種合理布局可有效防控甘蔗褐銹病流行危害[2,21]。鑒于褐銹病是當(dāng)前嚴(yán)重影響中國甘蔗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要病害, 今后應(yīng)調(diào)整甘蔗抗病育種策略, 將抗甘蔗褐銹病新品種選育作為主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一, 加強(qiáng)抗褐銹病甘蔗種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)篩選, 切實(shí)提高抗褐銹病甘蔗新品種選育效率。云南是世界野生甘蔗起源中心之一,也是中國甘蔗野生資源重要分布中心[28-29], 甘蔗野生資源是現(xiàn)代甘蔗育種中抗病基因的重要來源, 已有研究顯示, 中國甘蔗種質(zhì)資源圃保存的野生種質(zhì)資源中蘊(yùn)藏著優(yōu)良的抗病基因, 是抗病甘蔗品種選育的重要抗源[27,30-33]。本研究結(jié)果顯示, 中國近年選育的新品種及主栽品種中也蘊(yùn)藏有優(yōu)良的Bru1基因, 在因地制宜擇優(yōu)推廣抗褐銹病新品種及主栽品種的同時(shí), 可與野生種質(zhì)資源雜交擴(kuò)寬遺傳基礎(chǔ), 充分發(fā)揮其應(yīng)用潛力,為抗褐銹病甘蔗新品種培育充實(shí)抗性基因源, 這與本課題組前期研究結(jié)果[27]一致。

表2 甘蔗主栽品種對(duì)褐銹病菌的抗性與Bru1基因PCR檢測(cè)結(jié)果Table 2 PCR detection of Bru1 and evaluation of field resistance to Puccina melanocephala in major sugarcane varieties

先前的研究表明, 許多抗褐銹病的甘蔗野生種質(zhì)資源和主要育種親本未檢測(cè)到抗病基因Bru1[27,35], 而本研究中高抗褐銹病的 2個(gè)新品種福農(nóng) 09-7111和福農(nóng)11-2907, 中抗褐銹病的3個(gè)新品種中蔗10號(hào)、云瑞11-450和中糖 1202未檢測(cè)到抗褐銹病基因Bru1, 這表明除了Bru1基因外, 可能還存在其他抗褐銹病基因, 有待于進(jìn)一步深入研究。Bru1基因目前已在甘蔗抗褐銹病評(píng)價(jià)中廣泛使用[27,35-36], 還未發(fā)現(xiàn)含有Bru1基因的品種出現(xiàn)感褐銹病的情況, 雖然目前還未發(fā)現(xiàn)Bru1基因抗性衰退的報(bào)道, 但仍存在長期使用導(dǎo)致其抗病性下降、發(fā)生抗性丟失的危險(xiǎn), 所以應(yīng)加強(qiáng)其他抗褐銹病基因在抗病育種中的引入與利用, 避免因病原變異引起B(yǎng)ru1抗性喪失的潛在威脅。

感病品種大面積種植加上多雨高濕是甘蔗褐銹病暴發(fā)流行的主要誘因, 不同甘蔗品種對(duì)甘蔗褐銹病抗性不一, 防治甘蔗褐銹病最為經(jīng)濟(jì)有效的措施是選種抗病品種[2,13]。本研究結(jié)果顯示, 目前大面積種植的桂糖29號(hào)、桂糖 44號(hào)、德蔗03-83、柳城03-1137、粵糖 60號(hào)、巴西45號(hào)、桂糖46號(hào)7個(gè)主栽品種高度感病, 而近年選育的粵甘48、福農(nóng)09-2201、柳城09-15、中蔗 1號(hào)、云蔗08-1609、云瑞10-187、德蔗12-88、中糖1201等31個(gè)優(yōu)良新品種抗病力強(qiáng)。建議多雨濕潤甘蔗褐銹病高發(fā)蔗區(qū),應(yīng)加大淘汰感病主栽品種和推廣應(yīng)用抗病優(yōu)良新品種力度, 以期達(dá)到品種合理布局, 從根本上控制蔗區(qū)病害的暴發(fā)流行, 為中國甘蔗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供安全保障。