利用小麥抗條銹病近等基因系對(duì)四川條銹病變化進(jìn)行抗性監(jiān)測(cè)及分析

李式昭，楊漫宇，涂 洋，朱華忠，鄭建敏，萬(wàn)洪深，劉澤厚，羅江陶，楊恩年，伍 玲

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南地區(qū)小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/糧油作物綠色種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066）

由條形柄銹菌小麥專化型（Pucciniastriiformisf.sp.tritici）引起的小麥條銹病是一種小麥真菌病害，在全世界范圍內(nèi)嚴(yán)重威脅小麥生產(chǎn)和糧食安全[1-2]。中國(guó)是世界上最大的小麥條銹病獨(dú)立流行區(qū)，特別是1950、1964、1990、2002 和2017年的5 次條銹病大流行，發(fā)生面積均超過(guò)550 萬(wàn)hm2，損失小麥共計(jì)138億kg，嚴(yán)重影響我國(guó)小麥生產(chǎn)安全[3-4]。

四川盆地位于我國(guó)西南，是中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)之一，同時(shí)也是小麥條銹菌重要的“冬繁區(qū)”，病菌能以夏孢子和菌絲狀態(tài)在病葉上或病葉里越冬；盆地西北高寒山區(qū)還是條銹菌越夏的重要基地，同時(shí)也是條銹菌新小種的策源地之一[5]。條銹病不僅引起四川本省的小麥產(chǎn)量損失，而且還為中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)提供大量春季流行的初侵染來(lái)源，四川盆地輸出的條銹病菌源量和菌源群體結(jié)構(gòu)對(duì)我國(guó)小麥條銹病的大區(qū)流行有關(guān)鍵影響[6-7]。從2012年開(kāi)始，條銹病CYR34 生理小種逐漸成為我國(guó)西南麥區(qū)條銹病優(yōu)勢(shì)小種，對(duì)西南主要抗條銹病基因Yr26和Yr10均具聯(lián)合毒性，導(dǎo)致川麥CH42系、貴農(nóng)系和92R系等育種材料抗條銹性喪失，對(duì)小麥生產(chǎn)造成重大損失[4,8]。因此，從四川這個(gè)條銹病源頭上監(jiān)測(cè)條銹菌生理小種變化和控制小麥條銹病傳播就成為確保我國(guó)黃淮海小麥主產(chǎn)區(qū)糧食安全的關(guān)鍵。

小麥抗條銹病近等基因系能排除遺傳背景干擾，是病原菌生理?；芯?、抗病機(jī)制研究、抗病基因推導(dǎo)分析和標(biāo)記定位的重要遺傳材料；采用近等基因系作為鑒別寄主，可直接監(jiān)測(cè)條銹病菌的變化，還能對(duì)相應(yīng)抗病基因進(jìn)行驗(yàn)證。澳大利亞悉尼大學(xué)植物育種研究所自20世紀(jì)80年代起開(kāi)展小麥抗條銹病近等基因系的構(gòu)建工作。這套近等基因系是以感病春麥品種Avocet S 作母本，分別與其他含抗小麥條銹病基因的供體親本雜交，并以Avocet S 為輪回親本進(jìn)行連續(xù)回交和篩選鑒定育成[9]。研究表明[10-11]，以Avocet S為背景的小麥條銹病近等基因系材料基本涵蓋了世界和中國(guó)小麥生產(chǎn)上重要的抗條銹病基因，可有效區(qū)分條銹菌小種毒性，且能據(jù)此推導(dǎo)其病原菌小種的毒性基因，已成為當(dāng)前國(guó)際上通用的研究手段，利用該套近等基因系可以直觀監(jiān)測(cè)抗條銹病基因的有效性。同時(shí)，在小麥生產(chǎn)上，我國(guó)小麥育種家在過(guò)去幾十年中已選育出許多優(yōu)良抗條銹病小麥品種，并發(fā)揮了重要作用，但這些品種的抗性多為單基因抗性，隨著品種的推廣應(yīng)用，條銹病原菌新優(yōu)勢(shì)小種群體得以爆發(fā)式哺育增長(zhǎng)，導(dǎo)致品種在生產(chǎn)上應(yīng)用較短時(shí)間后喪失原有抗性[12]，監(jiān)測(cè)病原菌的組成及變化，可以及時(shí)提醒育種家改變抗病基因的使用思路，已成為當(dāng)前小麥抗病育種的重要需求。因此，利用條銹菌生理小種鑒別寄主對(duì)病菌群體的小種組成和變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅能夠預(yù)測(cè)條銹病的流行趨勢(shì)，而且對(duì)發(fā)掘抗病基因資源、培育小麥抗病新品種均具有重大意義。

本研究通過(guò)人工接種四川優(yōu)勢(shì)條銹病混合菌系和田間自然誘發(fā)相結(jié)合的方式，在2014—2022年連續(xù)9年對(duì)以Avocet S 為背景的小麥抗條銹病近等基因系進(jìn)行條銹病抗性跟蹤鑒定評(píng)價(jià)，以了解其年度間抗條銹性變化和相應(yīng)抗條銹基因的有效性，從而預(yù)測(cè)病害的發(fā)生和流行，為四川小麥抗條銹病育種和品種合理布局提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

人工接種的條銹病混合菌系采集自四川省不同生態(tài)區(qū)、不同海拔及不同小麥品種上自然侵染的葉片，包含CYR34、CYR32、CYR33、水源類型以及貴農(nóng)類型，由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所提供。以Avocet S為背景的小麥抗條銹病近等基因系材料來(lái)源于國(guó)際玉米小麥改良中心（CIMMYT），共28份，詳見(jiàn)表1。當(dāng)?shù)馗胁?duì)照暨誘發(fā)行川育12和SY95-71由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。

表1 小麥抗條銹病近等基因系和所攜帶的抗條銹基因Table 1 Wheat stripe rust resistance near-isogenic lines (NILs) and their genotypes

1.2 田間抗性鑒定

所有抗病鑒定材料于2014—2022年連續(xù)9年在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院郫都區(qū)基地和新都基地進(jìn)行成株期抗條銹病鑒定。播種采用條播方式進(jìn)行，行長(zhǎng)1.5 m，行距0.27 m，每份材料單粒播種，每行定植15 株。條銹病誘發(fā)行播于病圃四周及2 個(gè)小廂之間的豎行，種植川育12 和SY95-71 的混合系，此外每隔10行另增設(shè)誘發(fā)行1行。

參考LI Z.F.[13]、WU L.[14]等方法，小麥分蘗期時(shí)在誘發(fā)行上人工接種四川優(yōu)勢(shì)條銹病混合菌系，調(diào)查指標(biāo)為每份近等基因系材料的最終病害嚴(yán)重度（final disease severity，F(xiàn)DS)，待川育12 和SY95-71的混合系FDS達(dá)90%以上時(shí)，開(kāi)始對(duì)供試材料進(jìn)行成株期抗病性調(diào)查。調(diào)查方式為逐行低頭慢步踏查和蹲下細(xì)查方式相結(jié)合，并參考小麥條銹病測(cè)報(bào)技術(shù)規(guī)范（GB/T 15795—2011），未發(fā)病的健康葉片記為“0%”，采用13個(gè)等級(jí)（0%、1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%）進(jìn)行記載。FDS≤40%則認(rèn)為屬于抗病類型，F(xiàn)DS≥50%屬于感病類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥抗條銹病近等基因系在2014—2022年的綜合表現(xiàn)

28份小麥抗條銹病近等基因系在2014—2022年的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。由于郫都區(qū)試點(diǎn)和新都試點(diǎn)田間生態(tài)氣候條件不同，為避免條銹菌在單點(diǎn)發(fā)病不充分，鑒定材料的田間抗性表現(xiàn)存在輕重不一致之處，以2點(diǎn)中最重的結(jié)果為準(zhǔn)。

表2 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系在四川的有效性Table 2 Resistance to stripe rust of 28 resistance NILs in Sichuan Province%

2014—2022年連續(xù)9年，該套近等基因系對(duì)條銹病的抗性表現(xiàn)基本穩(wěn)定，是適合的小麥條銹菌鑒別寄主。其中，對(duì)四川條銹菌優(yōu)勢(shì)小種一直表現(xiàn)抗病的基因（系）僅有3份，占10.7%，分別為：Yr5、Yr15和PBW343；表現(xiàn)感病的基因（系）有13 份，占46.4%，分別為：AOC-YRA、AOC+YRA、Yr1、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、YrSP、YrCV、Yr28、Yr29、Yr31和AOC-Null；抗性表現(xiàn)不穩(wěn)定的基因（系）有12 份，占42.9%，分別為：Yr2、Tatara、Yr10、Yr17、Yr18、Yr24、Yr26、Yr27、Pavon、Seri、Opata和SuperKauz。

2.2 抗病基因（系）的表現(xiàn)

Yr5、Yr15和PBW343這3 個(gè)抗條銹基因（系）在2014—2022年連續(xù)9年的條銹病最終病害嚴(yán)重度（FDS）均≤40%，且Yr5的FDS 常年保持在0%～1%，Yr15的FDS 保持在0%～5%（圖1），這表明上述抗條銹基因（系）對(duì)四川優(yōu)勢(shì)條銹病混合菌系一直持續(xù)表現(xiàn)抗性，是四川省有效的抗病基因，特別是抗條銹基因Yr5和Yr15的FDS 一直保持在很低水平，可在條銹病抗病育種中進(jìn)一步加以利用。

圖1 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系抗病基因（系）表現(xiàn)Figure 1 Resistance genes (lines) of NILs resisting wheat stripe rust in 2014—2022

2.3 感病基因（系）的表現(xiàn)

AOC-YRA、AOC+YRA、Yr1、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、YrSP、YrCV、Yr28、Yr29、Yr31和AOC-Null這13個(gè)抗條銹基因（系）在2014—2022年連續(xù)9年的條銹病最終病害嚴(yán)重度（FDS）均≥50%，且AOC-YRA、AOC+YRA、Yr6、Yr9、Yr31和AOC-Null的常年FDS均為100%，感病程度最重（其中AOC-Null為Avocet S，為該套近等基因系材料的輪回親本，通常作為感病對(duì)照處理）；其余基因（系）中，YrSP和Yr29的FDS 保持在50%～100%，Yr1和Yr28的FDS 保持在60%～100%，Yr7、Yr8和YrCV的FDS 保持在80%～100%（圖2）。這表明上述抗條銹基因（系）對(duì)四川優(yōu)勢(shì)條銹病混合菌系幾乎一直表現(xiàn)感病，可認(rèn)為其抗性在四川省已失效，不僅在今后的條銹病抗病育種中應(yīng)避免單獨(dú)使用，在生產(chǎn)上也應(yīng)盡量降低含有這些基因的小麥播種面積。

圖2 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系感病基因(系)表現(xiàn)Figure 2 Susceptible genes (lines) of NILs resisting wheat stripe rust in 2014—2022

2.4 抗性不穩(wěn)定基因（系）的表現(xiàn)

Yr2、Tatara、Yr10、Yr17、Yr18、Yr24、Yr26、Yr27、Pavon、Seri、Opata和SuperKauz這12 個(gè)抗條銹基因（系）在2014—2022年連續(xù)9年的條銹病最終病害嚴(yán)重度（FDS）在年度間存在差異，抗性表現(xiàn)不穩(wěn)定。其中Yr10、Pavon、Seri、Opata、SuperKauz和Yr17的FDS 常年保持在1%～50%、10%～90%、20%～80%、1%～90%、1%～80%和20%～90%，且9年中有6～8年的FDS≤40%（圖3），尚有一定抗性；而Yr24、Yr26、Yr27、Yr2和Yr18的FDS 常年保持在20%～100%、30%～100%、10%～100%、40%～100% 和30%～90%，且9年中僅有1～2年的FDS≤40%（圖3），抗性可認(rèn)為已基本喪失。對(duì)這類抗性表現(xiàn)不穩(wěn)定的基因（系），應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)后續(xù)監(jiān)測(cè)，明確這些基因在中國(guó)小麥生產(chǎn)品種上的分布狀況，提早進(jìn)行品種的合理布局和必要的品種更替。

圖3 2014—2022年小麥抗條銹病近等基因系抗性不穩(wěn)定基因（系）表現(xiàn)Figure 3 Unstable genes (lines) of NILs resisting wheat stripe rust in 2014—2022

2.5 四川條銹病抗性基因有效性的變化趨勢(shì)

從本研究監(jiān)測(cè)中可發(fā)現(xiàn)，在四川應(yīng)用非常廣泛的抗條銹基因Yr26[7,15-16]在2014年還保持對(duì)條銹病的抗性，但從2015年開(kāi)始直至2022年，試驗(yàn)連續(xù)8年表現(xiàn)感病，這與以條銹菌CYR34生理小種為代表的貴農(nóng)22 致病類群（G22）從2014年開(kāi)始在四川大流行的結(jié)果[4,8]是相吻合的。同時(shí)，本研究（表2）還發(fā)現(xiàn)，2014—2022年9年間，四川省小麥生產(chǎn)上的條銹菌生理小種組成出現(xiàn)過(guò)多次明顯變化：如2014—2015年，Tatara、Yr26和Yr27由抗病轉(zhuǎn)為感病，Pavon、Seri則由感病轉(zhuǎn)為抗??；2017—2018年，Yr18、Yr24由感病轉(zhuǎn)為抗??；2019—2020年，Yr2、Yr18和SuperKauz由抗病轉(zhuǎn)為感病，Tatara則由感病轉(zhuǎn)為抗??；2020—2021年，Yr10由抗病轉(zhuǎn)為感病，Yr2、Opata和SuperKauz則由感病轉(zhuǎn)為抗病。結(jié)合四川省區(qū)試郫縣點(diǎn)條銹病觀察試驗(yàn)（表3）也可看出，2014—2015年，原區(qū)試對(duì)照綿麥37 對(duì)條銹病抗性由抗病轉(zhuǎn)為感病，2016年起即采用對(duì)照綿麥367 代替；2019—2020年，對(duì)照綿麥367 也由抗病轉(zhuǎn)為感病，之后又采用川農(nóng)32 作為新區(qū)試對(duì)照。在生產(chǎn)上，從2020年起，四川省大面積推廣品種川麥104及其衍生品種在四川部分地區(qū)也開(kāi)始表現(xiàn)出感病趨勢(shì)，這些近等基因系和生產(chǎn)品種的條銹病抗性變化都表明當(dāng)前四川條銹病菌毒性還在不斷進(jìn)行著變異演化，相應(yīng)條銹病抗性基因的有效性也隨之發(fā)生變化，總的來(lái)說(shuō)，有效的抗病基因有不斷減少的趨勢(shì)，目前僅有Yr5和Yr15對(duì)四川優(yōu)勢(shì)條銹病混合菌系一直持續(xù)表現(xiàn)較強(qiáng)抗性。

表3 2014—2022年四川省區(qū)郫都區(qū)試點(diǎn)對(duì)照品種條銹病表現(xiàn)Table 3 Performance of stripe rust in check varieties of Pidu point in Sichuan provincial wheat trial during 2014—2022

3 討論

本研究采用了以澳大利亞春性品種Avocet S為背景的近等基因系作為條銹病鑒別寄主，總的來(lái)說(shuō)2014—2022年共9年間該近等基因系對(duì)條銹病的抗性基本穩(wěn)定，適合在四川省內(nèi)對(duì)條銹病進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且當(dāng)前國(guó)際上也多傾向于使用該套鑒別寄主來(lái)檢測(cè)和鑒定條銹菌的毒性變異。由于中國(guó)小麥條銹病的毒性極其豐富多樣，且變異十分頻繁[17-18]，因此，引進(jìn)該套近等基因系，能更好滿足中國(guó)小麥條銹菌群體毒性研究的需要。尤其是該材料以NILs為基礎(chǔ)，除了抗條銹基因差異外，其余遺傳背景和所有特性均保持一致，可以大大提高育種家進(jìn)行抗條銹病育種的有效性和針對(duì)性。

本研究發(fā)現(xiàn)抗條銹基因Yr5和Yr15對(duì)四川優(yōu)勢(shì)條銹病混合菌系一直持續(xù)表現(xiàn)抗性，是四川省有效的抗病基因。Yr5基因來(lái)源于斯卑爾脫小麥T.speltaalbum，Yr15來(lái)源于四倍體野生二粒小麥T.turgidumdicoccoides，分別定位于2BL 和1BS 染色體[19]，但其在國(guó)內(nèi)小麥抗病育種中卻并未被廣泛應(yīng)用[20-21]，推測(cè)其原因可能與載體品種的豐產(chǎn)性和農(nóng)藝性狀較差，難以轉(zhuǎn)育利用有關(guān)。近年來(lái)，我國(guó)西南麥區(qū)已開(kāi)始加快對(duì)這2個(gè)抗病基因的轉(zhuǎn)育和親本改良，目前已有品種應(yīng)用于小麥生產(chǎn)實(shí)踐。如張華等[15]對(duì)153份四川小麥主推品種和后備品系的抗病基因進(jìn)行分子檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)川麥87、綿麥161、綿麥319 等12 份材料可能攜帶Yr5；川麥83、川農(nóng)38、綿麥903等12份材料可能攜帶Yr15。習(xí)玲等[7]對(duì)78份四川小麥育成品種（系）進(jìn)行條銹病抗性鑒定與抗條銹病基因分子檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)西科麥557、蜀麥1829、綿麥835 等5 份材料可能攜帶Yr15。周軍等[16]對(duì)貴州、四川等省242 份小麥品種（系）進(jìn)行成株期抗條銹病鑒定及分子標(biāo)記檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)供試材料中有52份含有Yr5基因，21 份含有Yr15基因。今后，可在小麥育種中加強(qiáng)利用上述攜帶Yr5和Yr15基因的品種或材料，當(dāng)然，也要防止過(guò)度地單一使用這2個(gè)抗病基因，可以聚合其他抗病基因或微效基因再進(jìn)行育種改良。

本研究發(fā)現(xiàn)抗條銹基因Yr1、Yr6、Yr7、Yr8、Yr9、YrSP、YrCV、Yr28、Yr29和Yr31表現(xiàn)感病，Yr2、Yr10、Yr17、Yr18、Yr24、Yr26和Yr27的抗性表現(xiàn)不穩(wěn)定，然而當(dāng)前我國(guó)生產(chǎn)上使用的主要抗條銹基因仍是來(lái)源于川麥CH42 系、貴農(nóng)系和92R 系的抗源，Yr9、Yr17、Yr24、Yr26和Yr29被大面積推廣應(yīng)用，檢測(cè)頻率很高[7,15-16,20-21]，這將導(dǎo)致我國(guó)小麥生產(chǎn)群體中抗條銹病基因的多樣性和安全性降低。針對(duì)這些基因，我們認(rèn)為其不具有單獨(dú)使用價(jià)值，宜通過(guò)基因聚合后再進(jìn)行利用。值得關(guān)注的是，Yr基因組合利用對(duì)條銹菌有非常好的抗性效果[7,15,22]。在目前有效抗病基因數(shù)量有限的情況下，通過(guò)基因聚合培育高水平的持久抗病品種，或是利用抗病品種（基因）合理進(jìn)行時(shí)空布局，是提高小麥抗病基因利用效率[22]的有效途徑。

四川盆地是中國(guó)小麥條銹菌重要的“冬繁區(qū)”，同時(shí)川西北高寒山區(qū)還是條銹菌的越夏基地和新小種策源地之一[5]，四川小麥的條銹菌監(jiān)測(cè)和條銹病控制策略在全國(guó)具有至關(guān)重要的作用。為減少向東部麥區(qū)傳播的春季輸出菌源，四川小麥品種最好應(yīng)具備苗期抗性（使用全生育期抗性基因），且所用的主效Yr基因應(yīng)盡量避免在越夏易變區(qū)擴(kuò)繁應(yīng)用，同時(shí)，還要持續(xù)做好抗病基因聚合和合理時(shí)空布局工作。因此，對(duì)條銹菌進(jìn)行病情監(jiān)測(cè)和評(píng)估是一項(xiàng)應(yīng)該長(zhǎng)期堅(jiān)持的工作，這將為保障我國(guó)小麥安全生產(chǎn)提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐。