土耳其小麦种质条锈病抗性评价和抗病基因分析

焦韩轩, 孙晓媛，黄 硕，刘胜杰，秦 华，吴建辉，曾庆东，王长发，李海峰，康振生 ，韩德俊

(1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌 712100； 3.西北农林科技大学植物保护学院，陕西杨凌 712100)

小麦是世界上最重要的谷类作物之一，是我国第二大粮食作物，占粮食总产的21.6%，在国民经济中有重要意义[1]。稳产、高产一直是国内外小麦育种的重要目标。据国际粮食生产研究所(IFPRI)调查，2020年世界人口对小麦的需求量由2001年的6亿吨增加到10亿吨，随着社会的不断发展和人口增长，未来对其需求量会更大[2]。这就需要我们不断地稳定并提高小麦的产量，以满足人类粮食需求。小麦的稳产、高产受病虫害、气候、极端天气等不利因素的影响，小麦条锈病就是其中之一。小麦条锈菌致病型变异频繁和抗性资源的不恰当使用，是引致小麦品种抗锈性“丧失”、造成病害大流行的主要原因[3]。小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型(Pucciniastriiformisf. sp.tritici)侵染引起的世界性真菌气传病害，可以侵染小麦叶部、杆部以及穗部，具有发生范围广、传播速度快、危害严重等特点[4]。我国是世界上最大的小麦条锈病流行区域，且发生流行规律比其它国家更加错综复杂，在小麦主产区均有发生，对西南、西北等地的冬、春麦区危害最为严重[5]。我国曾发生过15次小麦条锈病大流行，流行年份可使小麦减产25%，甚至绝收，威胁小麦的安全生产[6]。2000-2012年间，条中32号(CYR32)和条中33号(CYR33)成为最流行的毒性小种，其对很多小麦抗源具有毒力[7]。条中32号(CYR32)和条中33号(CYR33)小种爆发流行后，一个新的毒性小种条中34号(CYR34)已经成为新的流行性小种[8]。目前CYR34已经逐渐传播到中国小麦主产区，威胁到小麦安全生产[9]。2020年国内条锈病大爆发,虽然对重点发病区域进行防控，防控面积达到1.9亿亩次，但最终还是有6 000万亩小麦发病，产量受损严重[10]。针对当前流行的条锈菌生理小种或致病类型，发掘新的抗源和抗性基因，培育抗病品种被认为是防止条锈病危害、确保小麦高产、稳产最为经济环保和高效的手段[11-12]。土耳其是小麦等粮食作物起源中心之一，该地区具有丰富的麦类种质资源，包括野生种和近缘野生种、古老的地方种和现代改良品种等，其境内小麦种植区域普遍发生流行条锈病，在这种选择压力下，蕴含着大量抗性种质[13]。其丰富和特殊的种质资源，可以作为我国抗条锈病育种和抗病基因发掘的重要源泉。为了解土耳其小麦种质对我国当前流行小种的抗条锈病水平和抗病类型及其所携带的重要抗条锈病基因状况，拟对177份土耳其小麦进行田间成株期条锈病抗性鉴定，并进行温室分小种抗病性鉴定，以筛选可以利用的新抗源，丰富小麦抗条锈病育种基因资源，为小麦抗条锈病育种提供理论依据和材料基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

177份土耳其小麦种质材料由西北农林科技大学胡银岗教授提供；感病对照品种Avocet S(AvS)由美国华盛顿州立大学陈贤明教授惠赠；供试感病小麦品种铭贤169和小偃22及小麦条锈菌生理小种CYR32、CYR33、CYR34和致病型PST-Lab.1、PST-Lab.2、PST-V26.1由西北农林科技大学小麦锈病研究室提供，毒性谱参见文献[14-15]。

1.2 成株期条锈病抗性鉴定

2019-2020连续两年在陕西省杨凌区设置人工诱发病圃，对供试材料进行条锈病抗性鉴定。每份供试材料种植2行(行长1 m,行距0.2 m),每隔20个材料种植2行小偃22作为感病对照，供试材料两侧种植感病品种铭贤169作为诱发行。每年于3月中旬小麦拔节期，采用矿物油喷雾法和抖粉法进行混合接种小麦条锈菌CYR32、CYR33、CYR34(1∶1∶1)。于4月下旬至5月中旬，AvS、铭贤169和小偃22充分发病后(叶片发病面积达到80%以上)，调查发病情况。2020年在甘肃省天水市和四川省江油市自然诱发病圃进行抗病性鉴定，种植标准同上，天水于5月中旬至6月中旬，江油于4月下旬至5月中旬，感病对照品种充分发病后，调查发病情况。反应型(IT)按照0～9级标准记载[16-17]，可被分为四个级别：0～3为抗病(resistance, R)，4～6为中抗(moderate resistance, MR)，7为中感病(moderate susceptible, MS)，8～9为感病(susceptible, S)，严重度(DS)按照12级标准记载[18]，被分为：0%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。每隔7 d重复鉴定一次，调查三次，并以最高反应型和最大严重度作为最终抗病性结果。

1.3 苗期条锈病抗性鉴定

苗期分小种鉴定于2020年在西北农林科技大学温室进行。供试小麦材料分别播种于9 cm × 9 cm × 9 cm的花盆中，每份材料种植5～10粒，于培养箱中培养，待幼苗长到二叶期时进行条锈菌接种。接种方法采用抖粉法，具体步骤如下：(1)将条锈菌夏孢子与滑石粉1：50混合均匀，分别接种条锈菌致病型PST-Lab.1、PST-Lab.2和PST-V26.1；(2)待感病对照充分发病时进行鉴定，记载反应型(IT)，鉴定标准同上；(3)每隔3 d重复鉴定一次，调查三次，并以最高反应型(IT)作为抗病性结果。

1.4 抗病基因检测

用改良CTAB法[19]提取DNA，选择已经开发的抗条锈病基因Yr5、Yr7、Yr9、Yr10、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26、Yr29、Yr30、Yr32、Yr36、Yr46、Yr76、Yr81标记进行分子检测，以便确定抗源的开发价值和下一步研究方向。

2 结果与分析

2.1 供试材料条锈病抗性评价

2.1.1 供试材料成株期鉴定结果分析

成株期抗病性鉴定结果(表1)表明，在杨凌人工诱发病谱表现中抗及以上水平的有79份；在江油和天水自然诱发病谱表现中抗及以上水平的分别有140、98份；仅有60份在三个环境中均表现中抗及以上水平。综合分析表明，成株期供试材料在不同病谱之间抗性水平存在差异，杨凌位于条锈菌春季流行区，该区条锈菌毒性结构复杂，遗传多样性丰富，天水位于条锈菌核心越夏异变区，是秋季菌源基地和新小种策源地，菌源结构更加复杂，而江油是条锈菌冬繁区，菌种结构相对单一，毒力谱窄[7]。因此，供试材料在江油的整体抗病水平比在杨凌和天水的高。

2.1.2 供试材料苗期鉴定结果分析

分别采用条锈菌致病型PST-Lab.1、PST-Lab.2和PST-V26.1对供试材料进行抗条锈病鉴定。结果(表1)表明，有36份对PST-Lab.1表现为抗病；有56份对PST-Lab.2表现为抗病；有26份对PST-V26.1表现为抗病；仅有13份对PST-Lab.1、PST-Lab.2和PST-V26.1均表现抗病。整体分析认为，供试材料在苗期对三个小麦条锈菌致病类型抗性水平较低。

2.1.3 供试材料条锈病抗病综合评价

综合苗期和成株期抗性鉴定结果分析其抗病类型，可以将供试材料划分为3种抗条锈病类型：第一类主要有TK-24、TK-55等10份材料，其苗期对所有参试小种以及成株期对甘肃天水、四川江油自然小种均表现为抗病，表明其具有全生育期抗性(ASR)；第二类有TK-1、TK-2等40份材料，其苗期感染部分小种且成株期表现为抗病，属于对部分致病型失去抗性的全生育期抗病类型(ASRI)；第三类有TK-5、TK-6等47份，其苗期对所有参试小种均表现为不同程度感病，但成株期表现为抗病，属于成株期抗病类型(APR)(表1)。其余的80份材料呈现不同程度的感病。

2.2 供试材料Yr基因分析

利用Yr5、Yr7、Yr9、Yr10、Yr15、Yr17、Yr18、Yr26、Yr29、Yr30、Yr32、Yr36、Yr46、Yr76和Yr81共15个条锈病抗性基因的分子标记对供试材料进行检测，对其所携带的Yr基因进行初步筛查。结果(表1)表明，有2份材料可能携带Yr5；69份材料可能携带Yr7；23份材料可能携带Yr9；15份材料可能携带Yr17；49份材料可能携带Yr18；72份材料可能携带Yr81；52份材料可能同时携带2个抗性基因；16份材料可能同时携带3个抗性基因；2份材料可能同时携带4个抗性基因；36份材料未检测到上述Yr基因，其中3份是ASR，4份是ASRI，10份是APR，可能携带未检测的其他已知条锈病抗性基因或未知新基因(表1)。

表1 土耳其小麦种质抗条锈病性表现及分子检测结果Table 1 Performance of resistance to stripe and the molecular detection in Turkish wheat germplasms

(续表1 Continued table 1)

3 讨 论

抗条锈病基因的有效聚合是提高小麦品种抗性的有效途径，培育和种植抗病品种是控制小麦条锈病最有效、经济和环保的方法[20]。随着现代分子生物学的发展，许多抗条锈病基因已经被成功定位和克隆，聚合不同类型抗病性基因来改善材料抗病性的策略被广泛利用[21]。通过分子标记辅助选择，有目的地进行多个抗条锈病基因的聚合已经在大麦、棉花、水稻、小麦以及其他作物上实现[22-24]。韩德俊和康振生[25]研究认为，Yr基因聚合数目及类型与小麦抗病水平呈显著正相关，聚合多个有效Yr基因可以获得较高并且相对稳定的抗性水平，效果较好的组合有：Yr15+Yr65、Yr9+Yr17等。穆京妹等[26]聚合了源于四倍体小麦的抗条锈病基因Yr64和Yr65，创制了二者的聚合系种质，该种质在田间对条锈病表现为高抗水平。美国西部的几个小麦栽培种也是通过聚合Yr5+Yr15、Yr15+Yr17等抗病基因发展而来[27-28]。本研究结果表明，Yr17基因能够提高小麦品种的广谱抗病性，在多地的检验中，携带Yr17的多抗性基因聚合小麦品种抗条锈性高且稳定持久，如：Yr17+Yr81(TK-25)、Yr5+Yr17+Yr81(TK-55)、Yr17+Yr18(TK-160)等。Yr9定位于1BS/1RS的1RS(黑麦)臂上，被广泛应用于抗病育种，Yr9单独使用已失去抗性，与其他抗性基因聚合能增强抗性，如：Yr7+Yr9(TK-10),Yr9+Yr81(TK-26)等，韩德俊等[25]研究也证实了这一点。Yr18与Lr34、Pm38、Sr57位于同一位点，同时兼抗叶锈、杆锈和白粉病，Yr18对同一条锈菌的不同生理小种均产生抗性[29]。在所检测到的含有Yr18的49份材料中,Yr18除单独存在外, 还以Yr18+Yr81、Yr17+Yr18、Yr7+Yr18+Yr81、Yr5+Yr7+Yr18+Yr81等多个基因聚合形式存在，其抗病性也随着基因类型组合的不同呈现不同程度的抗性。Gessese等[30]完成了Yr81的克隆，将其定位于染色体6AS上，发现自小麦地方品种Aus27430。Yr81为成株期抗性基因，其抗性优良且持久。含Yr7、Yr18和Yr81种质的抗性比单独携带这些基因强，如：TK-24、TK-119比TK-107、TK-142强，与前人研究结果一致。综上所述，抗病基因的有效聚合可以提高品种(系)的抗病性并拓宽抗谱，探索赋予此类抗病性的抗病基因数目或组合方式，对培育持久性抗病品种具有重要意义。

4 结 论

明确了土耳其小麦种质对我国当前流行小种的抗条锈病水平和抗病类型以及所携带的抗条锈病基因状况，筛选出了97个抗病材料，其中17份未检测到任何已知基因，是进一步研究的重点；发现聚合3～4个有效Yr基因可以获得较高并且相对稳定的抗性水平，效果较好的组合有：Yr7+Yr18+Yr81、Yr5+Yr17+Yr81、Yr5+Yr7+Yr18+Yr81等，为小麦抗条锈病育种提了理论依据和材料基础。