抗白粉病基因 Pm40 在我国“后 Pm21 时代”小麦育种中的重要作用

唐圣雯 , 胡玉亭 , 钟胜福 , 罗培高

工程(英文) ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (4) : 500 -506.

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工程(英文) ›› 2018, Vol. 4 ›› Issue (4) : 500 -506. DOI: 10.1016/j.eng.2018.06.004

抗白粉病基因 Pm40 在我国“后 Pm21 时代”小麦育种中的重要作用

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The Potential Role of Powdery Mildew-Resistance Gene Pm40 in Chinese Wheat-Breeding Programs in the Post-Pm21 Era

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摘要

由小麦白粉菌[Blumeria graminis f. sp. triticiBgt)] 引起的小麦白粉病是一种重要的小麦叶部病害,对小麦的产量产生很大的影响。20 世纪80 年代,通过簇毛麦(Heuchera villosa)的6VS 染色体与小麦6AL 染色体易位将抗白粉病基因Pm21 转移到普通小麦中。最近,在一些地方发现了对Pm21 有毒的Bgt,虽然这些菌株的病理学特性还有待研究,但这一现象提醒小麦育种者应注意应用Pm21 的风险。来源于普通小麦与中间偃麦草(Thinopyrum intermedium)杂种后代的抗白粉病基因Pm40,被定位在小麦7BS 染色体上,对Bgt 具有广谱和持久的抗性。通过细胞学研究,并未在Pm40 的载体品种中发现大片段外缘染色体。过去几年的研究发现,Pm40 的载体品种具有优良的农艺性状。因此,我们相信在未来的育种工程中,Pm40 将会在Pm21 的抗性被克服之后起巨大的作用。另外,Pm21 Pm40 都来源于外缘物种,这暗示着外源基因的抗性可能比小麦本身的基因更为持久和有效。

Abstract

Powdery mildew, which is caused by Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt), is an important leaf disease that affects wheat yield. Powdery mildew-resistance (Pm) gene Pm21 was first transferred into wheat in the 1980s, by translocating the Heuchera villosa chromosome arm 6VS to the wheat chromosome arm 6AL (6VS·6AL). Recently, new Bgt isolates that are virulent to Pm21 have been identified in some wheat fields, indicating that wheat breeders should be aware of the risk of deploying Pm21, although pathological details regarding these virulent isolates still remain to be discovered. Pm40 was identified and mapped on the wheat chromosome arm 7BS from several wheat lines developed from the progenies of a wild cross between wheat and Thinopyrum intermedium. Pm40 offers a broad spectrum of resistance to Bgt, which suggests that it is likely to provide potentially durable resistance. Cytological methods did not detect any large alien chromosomal segment in the wheat lines carrying Pm40. Lines with Pm40 and promising agronomical traits have been released by several wheat-breeding programs in the past several years. Therefore, we believe that Pm40 will play a role in powdery mildew-resistance wheat breeding after Pm21 resistance is overcome by Bgt isolates. In addition, both Pm21 and Pm40 were derived from alien species, suggesting that the resistance genes derived from alien species are potentially more durable or effective than those identified from wheat.

关键词

小麦 / 白粉病 / Pm21 / Pm40 / 外源基因 / 内源抗性

Key words

Wheat / Powdery mildew / Pm21 / Pm40 / Alien species / Native resistance

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唐圣雯,胡玉亭,钟胜福,罗培高. 抗白粉病基因 Pm40 在我国“后 Pm21 时代”小麦育种中的重要作用[J]. 工程(英文), 2018, 4(4): 500-506 DOI:10.1016/j.eng.2018.06.004

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1.引言

由小麦白粉菌[Blumeria graminis f.sp.tritici(Bgt)]引起的小麦白粉病是世界范围内的一种重要真菌性病害,严重影响小麦[Triticum aestivum L.(T.aestivum L.)]的产量。自20世纪70年代以来,小麦白粉病在我国的大多数冬小麦生产地区发生,对小麦的产量及品质造成了严重的损失[1]。虽然过去小麦白粉病在中国西南地区是次于条锈病[由条锈菌Puccinia striiformis f.sp.tritici(Pst)引起]的第二大病害,但由于半矮秆品种的推广、水肥条件的改善和氮肥使用量的增加,现在白粉病的危害程度已经超过了条锈病,成为最具破坏性的小麦叶部病害[2–4]。

化学防治和合理的栽培措施虽能在一定范围内有效地控制白粉病的发生,但培育新的抗病品种不仅可以降低杀菌剂施用的生产成本,还能减少环境污染,是控制白粉病的最佳措施[5]。抗白粉病(Pm)基因是培育抗病小麦品种的前提,因此,小麦育种者一直致力于发掘新的抗白粉病基因来提高小麦对白粉病的抗性。目前,已在小麦染色体的54个基因座(表1)[1,4,6–10,12–78]发现了91个Pm基因(其中Pm18=Pm1c,Pm22=Pm1e,Pm23=Pm4c,Pm17=Pm8,Pm31=Pm21,Pm48=Pm46)[6–12]。这些基因分布在小麦除了3D和4D染色体之外的所有染色体上。在54个Pm基因座中,有27个(50.0%)位于B染色体组,只有13个(24.1%)位于D染色体组(表2)。在这些抗白粉病基因中,有42个基因(46.2%)位于A染色体组,只有17个基因(18.7%)位于D染色体组。在A、B、D 3个小麦染色体组上,平均每个Pm基因座的等位基因数目分别为3.00、1.19和1.31。A染色体组平均每个Pm基因座的等位基因数目高于B染色体组和D染色体组。此外,从表2还可以看出,从外缘物种转移到小麦A、B染色体组的外源Pm基因通常会表现出广谱性和持久性,如Pm21和Pm40。

表1   小麦白粉病抗性基因及其染色体分布

表2   正式命名的抗白粉病基因在小麦A、B和D基因组上的分布

2.外源 Pm 基因对提高小麦白粉病抗性的作用

野生近缘种的抗病基因对多种病原菌具有持久抗性,将其转移到小麦中,是现代育种体系的重要组成部分[79]。在正式命名的54个Pm基因中,有位于37个基因座的44个基因来源于野生近缘种,包括野生一粒小麦(Pm25)[20]、栽培一粒小麦(Pm1b和Pm4d)[7,25]、野生二粒小麦[27,29,41,51]、栽培二粒小麦(Pm4a、Pm5a和Pm5b)[59,63,80]、波斯小麦(Pm4b和Pm33)[23]、野生二粒小麦[17,43,44,48,52]、提莫菲维小麦(Pm6、Pm27和Pm37)[35,39,58]、乌拉尔图小麦(Pm60)[81]、冰草属(Pm2b)[70]、山羊草属(Pm1d、Pm2a、Pm12、Pm13、Pm19、Pm29、Pm32、Pm34、Pm35、Pm53、Pm57和Pm58)[6,7,38,46,47,53,72,74,75,78,82]、簇毛麦属(Pm21和m55)[28,30]、黑麦属(Pm7、Pm8、Pm17、Pm20和Pm56)[10,19,49,83]和偃麦草属(Pm40、Pm43和Pm51)[45,64,69]。在这44个外源Pm基因中,有22个位于B染色体组,14个位于A染色体组,8个位于D染色体组(表2)。外源Pm基因的个数在B染色体组中占比为0.69,然而在A、D染色体组中占比分别只有0.33和0.47。B染色体组中外源Pm基因的数量和占比可能说明它对外缘染色体有较高的耐受性。在过去的育种实践中,大多数外源Pm基因并没有被成功运用于生产,然而,少数应有的基因在我国小麦育种史上起着至关重要的作用。

2.1.外源 Pm 基因在中国小麦育种中的广泛应用

Pm8是应用范围最广、最为人熟知的白粉病抗性基因之一,在防止小麦白粉病造成的产量损失方面发挥了重要作用。20世纪30年代早期,Pm8从黑麦(Petkus)染色体转移到六倍体小麦染色体上,细胞学分析表明,黑麦1RS染色体与小麦1BL染色体发生易位,产生T1BL1RS染色体易位系[84]。除了抗白粉病之外,黑麦1RS染色体上还存在抗小麦条锈病等其他病害的基因[85,86],而且具有良好的农艺性状[87]。因此,Pm8作为一种有价值的抗白粉病基因,在小麦育种中得到广泛的应用。Pm8的载体品种在世界范围内被大面积种植,如“Kavkaz”“Apollo”“Disponent”“CN10”等[10,88–92]。虽然在20世纪90年代,一些新出现的Bgt克服了Pm8的抗性[93],但在21世纪的小麦育种工作中,Pm8仍然被广泛地使用,这是因为含有Pm8的小麦-黑麦T1BL 1RS易位系具有适应性广、产量高、能延迟叶片衰老等优良性状[87,94]。因此,Pm8有效抵御小麦白粉病约60年,在全球小麦抗性育种中发挥了重要作用[95]。

另一个外源抗白粉病基因成功应用的例子是Pm21。在20世纪80年代早期,簇毛麦被认为是白粉病一个的潜在抗源[96],一些来源于簇毛麦的外缘附加系对小麦白粉病表现出良好的抗性[97]。来源于簇毛麦的小麦抗白粉病基因Pm21位于簇毛麦-小麦的T6VS 6AL易位染色体上[30]。由于其他生产上应用的抗病基因的抗性大多已被新出现的有毒菌株所克服,所以携带Pm21的T6VS 6AL易位系作为亲本在我国小麦育种中得到了广泛的应用,并且其载体品种并没有携带不良农艺性状[98]。自2002年以来,我国利用Pm21基因培育了10多个小麦品种,如扬麦5号、扬麦15、扬麦18、内麦8号、内麦9号等[30,99,100],这些含有Pm21的品种种植面积超过3.4×106 hm2,特别是自2007年以来,种植面积迅速扩大[101]。抗性鉴定结果表明,Pm21具有广谱抗性,对大多数Bgt具有很强的抗性[102],这说明Pm21的抗性至今已经持续了40多年。尽管有少数研究发现了对Pm21具有毒性的Bgt[103,104],但最近的两项研究表明,Pm21对中国8个主要小麦产区收集的1082个Bgt仍然有效[105],并对波兰19个地区收集的1402个白粉菌菌株有效[106]。所以,目前Pm21仍可作为小麦育种中重要的抗白粉病基因。

2.2.小麦抗白粉病基因Pm40在小麦抗病育种中的巨大潜力

2007年,我们发现了两个对白粉病具有抗性的小麦品种Yu24和Yu25,这两个小麦品种来源于普通小麦川麦107和八倍体小偃麦TAI7047的杂种后代,而TAI7047则是来源于普通小麦太原768/中间偃麦草//普通小麦76(64)的杂种后代。遗传分析表明,Yu24和Yu25的白粉病抗性受两对基因控制[107]。利用SSR标记将其中一个抗病基因Pm40定位在小麦7BS染色体上[64]。

Pm40对白粉病的抗性表现出既高效又持久的特点。雅安气候温暖潮湿,年平均气温为15~17℃,年平均降水量为1520 mm[64],这些气候条件有利于小麦疾病的流行,而且存在着很多不同有毒Bgt的变异[4]。所以我们在四川农业大学雅安实验基地对Yu24和Yu25进行了连续多年的抗性鉴定,结果表明,这两个材料对不同Bgt均具有抗性。而且,在河南、山东、河北、福建等地,Pm40也表现出了很强的抗性[102]。中国农业科学院在温室中进行的白粉病抗性鉴定结果表明,含有Pm40的小麦品系L658对来自中国不同地区的28个Bgt都具有抗性,这一结果也充分地肯定了Pm40的广谱性和持久性(表3[5]、图1),表明Pm40在小麦育种工作中是一个非常具有潜力的重要抗白粉病基因。

表3   不同小麦幼苗对来源于不同地区的Bgt的反应

0: no visible symptoms; 1: hypersensitive necrotic flecks and small conidia with few conidiospores; 2: colonies with moderately developed conidia; 3: colonies with well-developed hyphae and abundant disconnected conidia; 4: well-developed hyphae and joined conidia [5].

图1.含有Pm40小麦材料的叶片反应。(a)L658(Pm40)的田间生长情况;(b)温室内L658(抗病)和MY11(感病)接种后14 d后的反应;(c)L658(抗病)和MY11(感病)田间反应。

Pm40基因可以迅速地整合到小麦推广品种中。染色体易位是将基因从野生亲本转移到普通小麦的一种常用的有效手段,但这种遗传方式有可能会将其他不良性状相关的基因与所需要的目的基因连锁,这是在育种中使用这些染色体易位系的主要障碍之一[108]。Yu24和Yu25来源于普通小麦与中间偃麦草的杂种后代,对白粉病的抗性具有良好的遗传稳定性,且田间农艺性状表现一致[107,109]。此外,Pm40作为正常的孟德尔遗传单元,抗病亲本能通过聚合酶链反应(PCR)扩增出特异性产物,与Pm40连锁的小麦标记,在遗传图谱上的遗传距离与顺序均表现出良好的一致性[64]。在所有Pm40的载体品种(系)中,通过原位杂交均未检测到外缘染色体片段[4,110]。所以我们可以通过分子育种的方法将Pm40所表现出的白粉病抗性的良好稳定性,迅速整合到小麦推广品种中。

含有Pm40的小麦品种(系)通常具有良好的农艺性状,很容易用于小麦育种。比起抗病基因的来源,育种者通常更关注小麦的农艺性状以及抗性转移的有效性[4]。为了加快Pm40在小麦育种中的应用,我们培育了一些Pm40的小麦载体品系,包括L658(PI 672537)、L693(PI 672538)、L696(PI 672539)和L699(PI672540)。其中许多品系都具有优良的农艺性状,如株高、产量指数、穗重和千粒重。同时,它们还具有小麦其他重要病害的抗病基因[111],如抗条锈病基因YrL693[112]以及抗赤霉病基因FhbL693a和FhbL693b[110]。另外,我们还发现了两个与Pm40紧密连锁的SSR标记(Xwmc335和Xgwm297),以及两个EST-STS(BF291338和BE446359)标记,两种分子标记与Pm40基因的遗传距离均小于1 cM[4,64],这为育种者利用分子标记辅助育种技术有效地将Pm40导入小麦品种提供了一个有效的工具。最后,叶绿素含量、光合作用、叶绿素荧光参数、抗氧化活性和Bgt侵染后的各种基因的表达量等信息都可以为育种实践提供参考[109]。因此,含Pm40的小麦品种(系)具有提高产量和抗多种病害的潜力。此外,与基因紧密连锁的标记为育种者将Pm40有效地转移到小麦推广品种奠定了基础。

3. 继 Pm21 之后小麦白粉病抗性基因在我国的应用

有少数研究称发现了对Pm21具有毒性的新的Bgt[103,104]。这表明,一旦Pm21失去抗性,我国小麦生产随时可能会面临白粉病大爆发所带来的危机。因此,小麦育种者需要找到一个能替代Pm21的基因来提高小麦对于白粉病的抗病能力。在已知的抗白粉病基因中,Pm40来源于中间偃麦草,具有较强的白粉病抗性[5]。而且,Pm40的小麦载体品种(系)具有良好的农艺性状,如株高、产量以及对条锈病、赤霉病等小麦其他主要病害的抗性[111]。此外,Pm40抗性的稳定性和与Pm40紧密连锁的分子标记使之可能成为替代Pm21的优秀候选基因[4,64]。为了使Pm40在小麦育种中更好地发挥作用,我们认为将Pm40作为主要的抗性供体,并整合联用其他抗白粉病基因是控制小麦白粉病的重要策略。

4.外源抗病基因的有效性和持久性

比起来自于小麦本身的基因,小麦与中间偃麦草的杂种后代对Bgt具有广谱抗性[3]。对小麦条锈病而言,一些外缘抗条锈病基因比来源于普通小麦的抗条锈病基因的抗谱更广,如来源于斯卑尔脱小麦的Yr5[113]、黑麦的Yr9[114]、野生二粒小麦的Yr15[115]和圆锥小麦的Yr26[116]。虽然Yr9已经丧失了对CYR29、CYR31、CYR32、CYR33等条锈菌的抗性[90],但是Yr9对于提高小麦对条锈病的抗性的确起到了重要的作用。Yr26是目前在育种中广泛应用的抗条锈病基因,对当前流行的条锈菌生理小种仍有效。通过远缘杂交产生的多态性基因座有助于对病原菌的识别,这种识别过程将保护作物不受到外界病害的侵害,宿主产生的基因座多态性越高,与病原体的不亲和程度就越高[117]。因此,与来自作物本身的基因相比,外源抗性基因通常抗谱更广,抗性更持久。所以我们认为,与来源于小麦自身的基因相比,外源抗病基因的DNA序列变异更大,可使外源基因的宿主和病原体之间的亲合反应发生延迟,从而导致外源基因比小麦本身基因的抗性更强。这一假设可能为今后育种工作中选择抗白粉病基因提供新的见解。

5.结论

具有广谱抗性的Pm40作为一个来源于外缘植物的重要Pm基因,将在我国对小麦白粉病的防治中发挥关键作用。特别是当Pm21的抗性被新的Bgt克服之后,Pm40可能将更加重要。此外,进一步阐明Pm40的抗病机制,将加速其在小麦育种中的应用。

致谢

感谢中国农业科学院作物科学研究所李洪杰研究员提供的许多有用的建议和对本文的修改。感谢国家自然科学基金(31571661)和四川省科技厅应用基础研究基金(2017JY0012)的资助。

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