黃淮麥區(qū)小麥抗赤霉病種質(zhì)創(chuàng)制和避病品種選育

房坤寶,羅 明,張永平,李二慶,王彥麗,沈天民,李鎖平

(1.河南天民種業(yè)有限公司,河南蘭考 475300;2.蘭考縣農(nóng)業(yè)局,河南蘭考 475300;3.河南大學(xué),河南開(kāi)封 475000)

赤霉病是發(fā)生在溫暖濕潤(rùn)地區(qū)的災(zāi)難性小麥病害[1],黃淮麥區(qū)隨著耕作制度的改變,玉米面積的迅速擴(kuò)大[2],以及全球性氣候變暖,雨季提前,秸稈還田政策的穩(wěn)步實(shí)施,赤霉病危害日趨嚴(yán)重,由偶發(fā)病演變成常年危害[3],上升為黃淮麥區(qū)小麥主要病害之一[2-3]。該區(qū)當(dāng)家品種赤霉病抗性缺失,抗病遺傳基礎(chǔ)狹窄[3],而從長(zhǎng)江中下游引進(jìn)的抗源和抗病品種在北方麥區(qū)應(yīng)用存在跨區(qū)適應(yīng)問(wèn)題[4-6],南源北引實(shí)現(xiàn)黃淮麥區(qū)小麥赤霉病抗性改良仍需較長(zhǎng)時(shí)間[7-8]。

偃麥草屬(Thinopyrum)是多年生小麥野生近緣種,具有多種優(yōu)良性狀,植株長(zhǎng)勢(shì)繁茂、根系發(fā)達(dá),具有抗旱耐鹽、抗寒性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí),該屬中許多種質(zhì)資源具有抗赤霉菌擴(kuò)展的能力[9-10]。目前,有大量的小麥-長(zhǎng)穗偃麥草(Th. Elongatum)異染色體系(異代換系、附加系和易位系)被創(chuàng)制,并廣泛用于小麥的赤霉病抗性改良[11]。長(zhǎng)穗偃麥草染色體附加系研究發(fā)現(xiàn),其1E染色體可能攜帶抗小麥赤霉病基因[12]。Jauhar等利用硬粒小麥與二倍體長(zhǎng)穗偃麥草雜交并多次回交,創(chuàng)制了1E附加系及1E(1A)、1E(1B)雙體代換系,鑒定發(fā)現(xiàn)1E附加系和1E(1A)具有赤霉病抗性[13-14]。2020年山東農(nóng)業(yè)大學(xué)孔令讓教授團(tuán)隊(duì)克隆了二倍體長(zhǎng)穗偃麥草Fhb7基因,目前已經(jīng)培育了農(nóng)藝性狀優(yōu)良的小片段易位系用于小麥抗赤霉病育種工作[15]。本研究利用十倍體長(zhǎng)穗偃麥草和黃淮麥區(qū)的主流品種雜交、回交,創(chuàng)造一批雜交后代中間材料和新品系,經(jīng)抗赤霉病鑒定,獲得了一批赤霉病抗性新種質(zhì)和新品系。

小麥赤霉病是氣候型流行性病害[16],易受環(huán)境影響[17],開(kāi)花期遇到充足的菌源,合適的溫度(25～35 ℃)、濕度(相對(duì)濕度80%以上)持續(xù)36 h以上,易形成赤霉病危害[18]。黃淮麥區(qū)小麥的揚(yáng)花期一般在4月下旬,利于發(fā)病的氣象條件與易于感染的小麥揚(yáng)花期相遇,易導(dǎo)致赤霉病的嚴(yán)重發(fā)生[19-20]。若小麥抽穗開(kāi)花期提早,避開(kāi)赤霉病發(fā)生的適宜條件,使病原物與小麥不接觸或者接觸機(jī)會(huì)減少[21],可達(dá)到不發(fā)病或發(fā)病減少。因此,本研究對(duì)小麥早抽穗開(kāi)花避病品種的選育和利用途徑進(jìn)行了探討,從源頭對(duì)小麥赤霉病進(jìn)行控制。

1 材料與方法

1.1 供試材料及試驗(yàn)地概況

利用遠(yuǎn)緣聚合雜交的方法,以長(zhǎng)穗偃麥草(10×)/矮抗58矮敗型雜交F1后代,選育蘭小偃麥系列多年生矮敗型小偃麥495份,以國(guó)家小麥赤霉病抗性鑒定標(biāo)準(zhǔn)高抗品種蘇麥3號(hào)為對(duì)照,篩選赤霉病抗性中抗以上的優(yōu)異育種材料。

小麥赤霉病人工接種方法比較試驗(yàn)于2013-2019年度在國(guó)家級(jí)農(nóng)業(yè)示范基地(開(kāi)封市蘭考縣,114°82′E、34°82′N)進(jìn)行,試驗(yàn)田土壤為砂壤土,中高肥力水平,前茬作物為玉米。

1.2 研究方法

1.2.1 抗性與農(nóng)藝性狀鑒定方法

抽穗期單花滴注法進(jìn)行赤霉病抗性鑒定[19],孢子液由江蘇省農(nóng)科院植保所和河南省農(nóng)科院植保所提供,以病小穗率作為赤霉病發(fā)病指數(shù)。使用時(shí)將孢子液稀釋至5×105個(gè)·mL-1,隨機(jī)選取揚(yáng)花期接近的120株植株掛牌標(biāo)記單株號(hào)和日期,用微量加樣器滴注10 μL孢子液至麥穗中部1枚小花中,每個(gè)材料不同單株接種12穗,套袋保濕4 d。

在花后26 d,對(duì)農(nóng)藝性狀的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,分別測(cè)定株高、葉長(zhǎng)、葉寬、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、結(jié)實(shí)小穗。

1.2.2 統(tǒng)計(jì)分析

接種后21 d統(tǒng)計(jì)各接種單株病小穗率,計(jì)算每個(gè)材料的平均病小穗率。病小穗率=(病小穗數(shù)/總小穗數(shù))×100%。根據(jù)陸維忠等[19-22]的方法,結(jié)合對(duì)照蘇麥3號(hào)、揚(yáng)麥158、安農(nóng)8455的發(fā)病情況,將病小穗率在15.0%以下的群體定為抗(R),15.1%～35.0%為中抗(MR),35.1%～50.0%為中感(MS),50.1%～75.0%為感病(S),75.1%以上為高感(HS)。

田間病穗率即在天民種業(yè)蘭考試驗(yàn)地隨機(jī)3點(diǎn)取樣,每個(gè)樣點(diǎn)1 m雙行,調(diào)查田間自然條件下赤霉病病穗數(shù)和總穗數(shù),計(jì)算病穗率。

抗性新品種(系)赤霉病抗性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)源于2015-2017年國(guó)家冬小麥品種比較試驗(yàn)抗病性鑒定,由中國(guó)農(nóng)科院劉太國(guó)老師提供。

選取黃淮麥區(qū)河南商丘、信陽(yáng)、蘭考,以及江蘇徐州、安徽阜陽(yáng)5個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行研究。數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)5個(gè)站點(diǎn)2005-2021年3月份到5月份的氣象資料。選取小麥生育期內(nèi)最影響赤霉病發(fā)病的氣象條件(平均氣溫和相對(duì)濕度)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘭小偃麥系列的創(chuàng)制和利用研究

本研究創(chuàng)制的495份多年生矮敗型蘭小偃麥系列種質(zhì)資源,經(jīng)7年連續(xù)在河南蘭考單花滴注人工接種鑒定。從表1可以看出,來(lái)源于矮抗58矮敗型和多年生長(zhǎng)穗偃麥草的18份中間材料的赤霉病抗性穩(wěn)定在中抗(MR)以上,1份穩(wěn)定在中感(MS)以上,其中蘭小偃麥6號(hào)、蘭小偃麥15號(hào)比蘇麥3號(hào)的病小穗率還低,達(dá)到高抗(HR)水平。由表2可知,這一類種質(zhì)資源植株較高,葉片較大,因此,以這些中間材料為抗源母本,與黃淮麥區(qū)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)小麥品種(系)結(jié)合,構(gòu)建赤霉病抗性在中抗以上兼顧高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的單株篩選群體。

表1 2013-2019年小麥赤霉病抗性鑒定結(jié)果Table 1 Identification of resistance to FHB from 2013 to 2019

表2 蘭小偃麥系列主要農(nóng)藝性狀Table 2 Main agronomic traits of LanTrititrigia wheat series

2.2 新品種(系)的赤霉病抗性改良與進(jìn)展

本研究針對(duì)株型和赤霉病抗性,與黃淮麥區(qū)豐產(chǎn)型品種(系)配置組合,如蘭小偃麥系列/蘭考198等蘭考系列、蘭小偃麥系列/濟(jì)麥系列、蘭小偃麥系列/周麥系列、蘭小偃麥系列/矮抗58等百農(nóng)系列、蘭小偃麥系列/西農(nóng)系列等進(jìn)行復(fù)交或回交。為獲得更多選擇目標(biāo),盡量擴(kuò)大F2群體,每個(gè)組合的F2群體一般在1 500～2 000株。根據(jù)育種目標(biāo)開(kāi)展株葉型選擇和赤霉病抗性選擇。

通過(guò)遠(yuǎn)緣聚合雜交的方法將多年生長(zhǎng)穗偃麥草近緣材料與黃淮麥區(qū)豐產(chǎn)型品種(系)配置雜交組合,選育抗赤霉病且適應(yīng)黃淮麥區(qū)種植的小麥品種(系)。采用此法篩選出了天民369、天民319(以多年生蘭小偃麥系列為母本,天民198為父本進(jìn)行復(fù)交,又將復(fù)交F1代分離出的普通型單株為母本,用天民198做父本進(jìn)行回交,采用系譜法經(jīng)過(guò)6年選育而成,并進(jìn)入2015年黃淮麥區(qū)國(guó)家品種比較試驗(yàn)中。由表3可知,天民369赤霉病抗性達(dá)到中抗水平,天民319赤霉病抗性屬中感,揚(yáng)麥158為中抗試驗(yàn)對(duì)照品種,產(chǎn)量試驗(yàn)中,平均產(chǎn)量較對(duì)照周麥18分別增產(chǎn)0.77%和0.57%。

表3 抗性新品種(系)品種選育情況及赤霉病抗性評(píng)價(jià)Table 3 Breeding of new resistant varieties (lines) and evaluation of resistance to scab

2.3 小麥抗赤霉病避病育種途徑探究

本研究統(tǒng)計(jì)了從2005—2021年共17年每年4月份黃淮地區(qū)主要站點(diǎn)(河南商丘、信陽(yáng)、蘭考,以及江蘇徐州、安徽阜陽(yáng))的日平均氣溫和相對(duì)濕度。從圖1可以看出:近年來(lái),只有少數(shù)年份在4月20前日平均氣溫超過(guò)25 ℃,其他年份均未達(dá)到25 ℃,這期間的相對(duì)濕度也均未超過(guò)80%。從這2個(gè)氣象條件分析,黃淮麥區(qū)抗赤育種還有新途徑可尋。

2012年是黃淮麥區(qū)小麥赤霉病流行最嚴(yán)重的一年,發(fā)生面積和程度都達(dá)到歷年之最[20]。從圖1可以看出:2012年4月中下旬,黃淮麥區(qū)主要站點(diǎn)日平均氣溫呈平緩上升趨勢(shì),接近25 ℃,且從20日到24日的相對(duì)濕度,大部分地區(qū)2 d接近80%,3 d超過(guò)80%;2012年4月15日之前日平均氣溫都沒(méi)有超過(guò)20 ℃。在2012年4月15日到25日正是該地區(qū)小麥揚(yáng)花關(guān)鍵時(shí)期,且在15日之前主要是早熟品種揚(yáng)花期,15日之后以中晚熟品種揚(yáng)花為主,當(dāng)年該地區(qū)小麥赤霉病也主要危害中晚熟品種,早抽穗品種基本未受到影響。另外,圖1中顯示每年在4月15日之前連續(xù)2 d以上相對(duì)濕度達(dá)到80%以上的年份有很多,但其相對(duì)應(yīng)的日平均氣溫均在17 ℃以下,大部分在15 ℃以下,達(dá)不到小麥赤霉病流行的氣象條件。表4中,從黃淮麥區(qū)主栽品種與早抽穗品種天民198對(duì)比來(lái)看,抽穗期提前,病穗率明顯降低。

表4 黃淮麥區(qū)主栽品種與天民198在蘭考地區(qū)抽穗期與田間病穗率Table 4 Headingstageandpercentage of diseased ears of scabof the main cultivars and Tianmin 198 in Lankao area

3 討論

本研究創(chuàng)制的這些外源赤霉病抗性材料,盡管它們抗赤霉病機(jī)理不明確,但是有關(guān)抗病基因位點(diǎn)以及抗病機(jī)理正在進(jìn)行研究中。在蘭考連續(xù)7年的人工單花滴注鑒定,結(jié)果顯示其赤霉病抗性基因確實(shí)存在。但相當(dāng)多的材料農(nóng)藝性狀并不優(yōu)良,需進(jìn)一步改善這部分材料的農(nóng)藝性狀和赤霉病抗性,加強(qiáng)外源赤霉病抗性基因開(kāi)發(fā)利用,才會(huì)對(duì)黃淮麥區(qū)小麥抗赤霉病的研究有所突破。

本研究利用蘭小偃麥系列中間材料與黃淮麥區(qū)豐產(chǎn)型品種配置組合,培育出的抗性品種(系)可作為今后該地區(qū)小麥赤霉病抗性育種的重要親本進(jìn)行利用。在育種實(shí)踐中,我們也發(fā)現(xiàn)小麥近緣材料較難直接選育出豐產(chǎn)型和抗病性結(jié)合良好的品種,但小麥近緣材料對(duì)于小麥產(chǎn)量和抗性的改良具有很大潛力,尤其是長(zhǎng)穗偃麥草(10×)擁有多種優(yōu)異的性狀,例如長(zhǎng)穗、分蘗多、抗逆性和抗病性強(qiáng)等,這類材料應(yīng)該在抗赤霉病育種中大量應(yīng)用,從而能得到綜合農(nóng)藝性狀較好的抗性品種,本研究培育出的品種在品比試驗(yàn)中增產(chǎn)幅度不明顯,抗性較好,應(yīng)進(jìn)一步對(duì)其豐產(chǎn)性進(jìn)行改良?；诒狙芯拷Y(jié)果和遠(yuǎn)緣雜交抗赤霉病育種經(jīng)驗(yàn),鑒于遠(yuǎn)緣雜交后代分離嚴(yán)重,建議在F3代選擇株型優(yōu)異的單株,這樣可以提高培育抗性品種的概率。

通過(guò)深入分析近年來(lái)4月份黃淮麥區(qū)部分地區(qū)的氣候條件及小麥生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律,結(jié)合小麥赤霉病發(fā)生流行規(guī)律及嚴(yán)格的冬春季抗凍性過(guò)關(guān)鑒定,考慮選育在4月初抽穗,4月中上旬開(kāi)花的早抽穗高產(chǎn)避病型品種可以減輕甚至避免大田赤霉病的危害,是確保小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)行之有效的途徑之一。采用此法選育出的天民198已經(jīng)累計(jì)推廣2.67×106hm2,其早熟避病、抗倒春寒、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)已經(jīng)得到充分驗(yàn)證。因此,已育成和推廣的早抽穗品種在應(yīng)對(duì)小麥赤霉病災(zāi)害上具有重要作用,展望未來(lái),小麥抗赤霉病育種研究處于不斷探索的階段,若充分利用小麥近緣物種中的抗性種質(zhì),挖掘抗性基因,確定其分子機(jī)制,同時(shí)與常規(guī)育種相結(jié)合,培育擁有外源抗性基因的早抽穗避病小麥品種,將會(huì)極大提升小麥抗赤霉病育種效率,并提高小麥實(shí)際生產(chǎn)的收益。