论文部分内容阅读
小麦白粉病(Blumeria graminis f.sp.tritici)和条锈病(Puccinia striiformis f.sp.tritici)是我国各主产麦区发生频繁、危害损失严重的两大主要病害。与生产上常用的播前药剂拌种、流行初期喷施化学农药等化防措施相比,采用抗(耐)病品种是最经济、最有效的控制手段。抗性种质发掘与抗性基因/QTL定位是实现小麦抗病、优质、高产的有效途径。本研究对我国当前生产上种植面积超过百万亩以上的68份主推小麦品种进行白粉病抗性评估;对411份品种或后备品种进行田间成株期抗白粉病和条锈病鉴定;在抗性评估和鉴定基础上,选择抗性较好鄂07901和XK0106为亲本,利用玉米花粉诱导双单倍体技术构建388个DH系群体,应用SSR标记和90KSNP标记进行白粉病和条锈病抗性QTL定位;并通过组织学染色观察解析QTL所介导的抗白粉病机理。主要研究结果如下:1、对国内主推大面积种植68份品种进行抗白粉病性多样性分析和风险评估。根据全国农业技术推广服务中心公布的小麦品种种植面积信息,从全国各育种单位收集我国年种植面积超过100万亩的68份主导品种,用同年度(2011年)采自西南、西北、长江中下游、华北、黄淮等12个主产麦区的1094个白粉单孢堆菌株分别接种,进行苗期抗感性测定;以同省份菌株为菌群单位,比较各品种对不同菌群的抗性差异;对表型抗感性数据用NTSYSpc2.10e软件进行UPGAMA(unweighted pair group arithmetic mean analysis)聚类分析;用 31 个鉴别菌株和30个含已知抗白粉病基因材料对68份品种进行抗白粉基因型推导。抗性多样性测定结果表明,品种间抗谱存在明显差异,绵麦37、内麦8号、内麦9号等3个品种抗谱优异,对12个省菌群的抗性频率均在99%以上;济麦22、扬麦11、扬麦12、扬麦13和轮选987等5个品种抗性优良,抗性频率在70%-90%;偃展4110、新麦208、豫麦18-99、百农矮抗58、扬麦15和宁麦13等6个品种抗性频率在40%-70%;新麦16、新麦18等54个品种的抗性频率小于40%,占总数的79.4%,表明大部分品种的白粉病抗性较差或者抗性已被克服。整体而言,四川的绵麦、内麦系列和江苏的扬麦系列对各省菌群具有较高的抗性。对不同菌群的抗性测定显示,某品种对该品种推广种植区域菌群的抗性频率要低于其它非推广种植区域菌群的抗性频率。系统聚类分析法可将68份品种的抗性聚类分成4大类,第Ⅰ类有6个品种,分别为扬麦11、偃展4110、新麦208、豫麦18-99、百农矮抗58、扬麦15,其中后5个品种的抗性频率在40%-70%;第Ⅱ类包括济麦22、扬麦12等在内的7个品种,抗性频率均大于70%;第Ⅲ类包括新麦16、新麦18、新麦19等54个品种,抗性频率均小于40%;第Ⅳ类只有宁麦13号1个品种,抗性频率46.1%。聚类结果显示,来自于同一省的品种、抗性频率相近的品种聚类在一起,显示这些品种具有相似或相近的抗性遗传背景。基因推导结果表明,内麦8号和内麦9号两个品种都拥有Pm21;偃展4110含有Pm4+8和Pm4b+Mli;新麦208含有Pm4b+Mli;济麦22含有Pm2+ta。以上结果表明,当前我国主推小麦品种对不同生态麦区的白粉菌群抗性存在明显的差异,但整体抗白粉性水平较低,必须加强病害预测预报和防治,以避免条件适合时暴发流行。2、对411份品种或后备品种进行田间成株期抗白粉病和条锈病鉴定分析,获得了 21份具有成株抗白粉病和94份成株抗条锈病的品种,筛选确定了拟进行QTL定位的亲本材料。对来自黄淮海以及长江流域的411份品种(系)进行田间人工接种抗白粉病和条锈病鉴定,从始发病期至病情衰退期对每份材料病情系统调查,采用最终病情指数、病程曲线下的面积和室内苗期毒性频率3个指标对品种的抗白粉病性进行划分和评价,获得了 20份品种(系)对白粉病表现为免疫,21份具有田间白粉成株期抗性的品种;采用侵染型、最终病指和病程曲线下的面积3个指标进行田间成株抗条锈病性分析,获得了 3份免疫,13份近免疫材料,93份慢锈性品种。通过遴选,确定以具有成株抗白粉病和条锈病的鄂07901为母本,以具有苗期抗性的XK0106为父本进行杂交组配,拟通过进一步构建群体进行所含抗性QTL定位。3、构建高密度的SSR和SNP标记的整合遗传连锁图谱,定位了 4个抗白粉病QTL和3个抗条锈病QTL,其中QPm.haas-2A和QY.haas-1B-2等2个QTL为首次定位的抗病QTL;证明了 QTL之间的联合或累加可显著增强对白粉病和条锈病的抗性。以鄂07901为母本、XK0106为父本,构建了 388个株系的DH系群体;分别以395个SSR标记和大群体(388株系)、90K SNP标记和一个亚群体(从388株选随机选91个株系)进行基因型测定和遗传连锁图谱的构建,并结合苗期白粉病、3个年度(2011-2013年度)成株期白粉病、2个年度(2011和2013)的成株期条锈病表型鉴定结果,进行抗白粉病和条锈病的QTL定位。结果表明,用SSR标记和大群体,共检测到1个具有全生育期抗白粉病QTL(QPm.haas-6A)和2个成株期抗条锈病QTL(QYr.has-1B-1和QYr.haas-2A)。基于SNP标记遗传连锁图谱检测出更多的QTL;在抗白粉病方面,除QPm.haas-6A外,在苗期还检测到QPm.aas-2A,成株期检测到QPm.haas-2A、QPm.haas-3A和QPm.haas-5A等三个抗白粉病QTL;在抗条锈病方面,除检测到QYr.haas-1B-1和QYr.haas-2A外,还检测到QYr.haas-1B-2。以上所检测到的QTL中,QPm.haas-3A、QPm.haas-6A 和 QYr.haas-1B-1 来源于 XK0106;QPm.haas-2A、QPm.haas-5A、QYr.haas-1BA2和QYr.haas-2A来源于鄂 07901。QPm.haas-2A和QYr.haas-1B-2为首次发现的 QTL;QPm.haas-6A为 Pm21;QYr.haas-1B-1为Yr24/26。单一 QTL或QTL累加的抗性有效性评价结果表明,QPm.haas-2A、QPm.haaas-3A、QPm.haas-5A、QYr.haas-1B-2和QYr.haas-2A等QTL单独存在时,可在病害发生较轻环境条件下表现较强的抗病效应,但在病害发生较重情况下抗性效应微弱;QYr.haas-1B-1在湖北武汉、湖北襄阳和云南昆明抗条锈病性效应明显,但在甘肃甘谷抗条锈病性效应微弱;QPm.haas-2A与QPm.haas-3A联合,QPm.haas-2A与QPm.haas-5A联合可显著增强对白粉病的抗性;QYr.haas-2A与QYr.haas-1B-1联合,QYr.haas-2A与QYr.haas-1B-2联合可显著增强对条锈病的抗性。4、组织学染色观察发现,过敏性坏死反应现象也是非小种抗性单一 QTL或QTL组合的抗白粉病机理之一;首次发现在含有Pm21(QPm.has-6A)的DH系植株上,还可形成少量的可产孢的菌落,推测外源抗性QTL对Pm21(QPm.haas-6A)具有一定的抑制作用。根据以上4个抗白粉病QTL紧密连锁的分子标记,遴选7个由不同QTL组合的株系,进行组织学染色观察白粉病菌在这些株系上的侵染发育进程。结果显示,抗性QTL不影响孢子萌发和附着胞的形成,但含不同的QTL组合的DH株系之间在乳突(晕圈)形成、诱发过敏性细胞坏死反应比率以及形成吸器和菌落程度上存在明显差异;含QPm.haas-2A和QPm.haas-3A两者组合的株系,含QPm.haas-2A、QPm.haas-3A和QPm.haas-5A三者组合的株系形成过敏性坏死反应比率显著增大,表明过敏性坏死反应现象亦是非小种抗性QTL或QTL组合的抗白粉病机理之一。含QPm.haas-6A(Pm21)的各个DH系可被白粉病菌侵染并形成菌落,极少部分菌落还可产生分生孢子,此为首次发现该现象。推测某些抗性QTL对QPm.haas-6A(Pm21)存在一定抑制作用。尽管目前还没有发现与Pm21亲和的菌株,但今后在改良和应用Pm21时值得关注外源背景基因对Pm21的负面影响。