小麦抗赤霉病研究现状与展望

小麦是我国最重要的口粮作物之一。在小麦生产所面临的各种病害中,赤霉病的发生具有愈来愈严重的趋势,引起小麦产业界的高度关注。近几十年来,科研人员在小麦抗赤霉病遗传育种以及防控技术领域进行了持续不懈的努力,在赤霉病病原菌致病基因、小麦赤霉病抗性基因定位、克隆及功能研究以及抗赤霉病分子育种等方面取得了重大进展。本文主要从赤霉病抗性基因资源的发掘和鉴定、不同抗源遗传基础解析、小麦赤霉病抗性基因、抗赤霉病分子标记辅助选择育种与基因聚合以及小麦抗赤霉病基因的克隆和功能研究等方面进行了综述,分析了目前小麦抗赤霉病研究中存在的问题,并提出应加强基因克隆、功能分子标记开发以及应用单体型辅助选择(HAS)和标记组辅助选择(MSAS)等小麦抗赤霉病研究的相关建议。     

小麦株高性状的QTL分析

自20世纪60年代农林10号矮秆基因被用于小麦育种以来,矮化育种成为世界范围内势不可挡的趋势,矮秆基因研究被越来越多的育种专家重视,先后鉴定出20余个矮秆基因,并应用其中6,7个基因,培育了大批丰产潜力大的半矮秆品种,应用矮秆冬小麦吕系DN3338（♀）和F390（♂）杂交得到的F2：3群体,研究小麦株高的遗传基础,以控制株高的数量性状基因座进行定位,利用240个F2：3家系,构建了含215个微卫星标记,覆盖3600cM,由21个连锁群组成的遗传 连锁图谱,并对该群体进行了4个环境（2年：2000年和2001年,2点：北京和石家庄）3重复的田间种植;采用区间作图法,对该群体的株高性状进行了QTL分析。结果表明：7个影响株高的QTL分别位于染色体1B,4B(2个）,6A（2个）,6D和7A上,每个QTL能解释5．2％－50．1％的表型变异,每个环境条件下检测出的所有QTL能解释64．8％－75％,的表型变异,除了7A上的QTL外,其他6个降低株高的QTL均来自ND3338,其效应介于0．94cm-9.33cm之间,且其中的4个在所有的环境下都能被检测出来,具有较高的稳定性,在4BS的Xgwm113标记附近有一主效QTL,其在不同的环境下能降低株高7．91cm-9.33cm,解释27．8％－36．2％,的表型变异,有着同农林10号中Rht-Blb相近的效应;同时在4BS上还发现一个和地点互作的QTL,该QTL在石家庄的两年试验中均被检测到,且有较大的效应值（80cm和7.6cm),因此,认为大部分的QTL能在所有的环境中检测到,这些QTO可以被用于品种改良和分子标记辅助选择育种。     

小麦品种冀麦24抗麦红吸浆虫QTL分析

麦红吸浆虫是影响小麦产量和品质的重要害虫,研究小麦对吸浆虫抗性的遗传及其连锁分子标记对于提高抗虫品种的选择效率具有重要意义。本研究以小麦感虫品系6218与抗虫品种冀麦24产生的重组近交系(RIL)群体为材料,利用SSR标记和人工虫圃对冀麦24的抗虫性遗传进行了研究。结果表明:6218与冀麦24的抗性差异显著,RIL群体在2年2点的鉴定中抗性稳定;所构建的遗传连锁图谱包含112个SSR位点,形成26个连锁群,图谱全长835.7 cM,标记间平均距离为7.5 cM。利用QTL IciMapping的完备区间作图法,在4A染色体上检测到1个加性效应位点(QSm.hbau-4A),该位点在2个鉴定年度的贡献率分别为9.67%、10.57%。该抗性QTL及其连锁SSR标记的发掘,将有助于提高小麦抗吸浆虫育种的选择效率。     

GW3-1和IND109标记对普通小麦粒重的QTL定位分析

应用一个由115个系组成的W7984/Opata85的重组自交系（RIL）群体,建立了一个由394个（292个RFLP、94个SSR和8个特殊的基因杂交探针）DNA分子标记组成的遗传连锁图,对小麦千粒重进行了单个标记的回归分析和复合区间作图的QTL定位,在单个标记的回归分析中检测到11个千粒重的QTLs（P〈0.01）;复合区间作图分析结果表明,其中4个标记bcd348a、GW3-1、IND109和Rz2的遗传效应较大,其贡献率分别为9.1%、19.0%、8.07%和8.14%,分别位于小麦的2BS、4AL、5BL和7DS上,特别是在水稻第3条染色体上控制籽粒大小的GW3-1和IND109分别位于小麦4A和5B染色体的长臂端.研究结果对小麦应用分子标记辅助选择或分子克隆基因有重要的参考价值.     

GW3-1和IND109标记对普通小麦粒重的QTL定位分析

应用一个由115个系组成的W7984/Opata85的重组自交系(RIL)群体,建立了一个由394个(292个RFLP、94个SSR和8个特殊的基因杂交探针)DNA分子标记组成的遗传连锁图,对小麦千粒重进行了单个标记的回归分析和复合区间作图的QTL定位,在单个标记的回归分析中检测到11个千粒重的QTLs(P<0.01);复合区间作图分析结果表明,其中4个标记bcd348a、GW3-1、IND109和Rz2的遗传效应较大,其贡献率分别为9.1%、19.0%、8.07%和8.14%,分别位于小麦的2BS、4AL、5BL和7DS上,特别是在水稻第3条染色体上控制籽粒大小的GW3-1和IND109分别位于小麦4A和5B染色体的长臂端.研究结果对小麦应用分子标记辅助选择或分子克隆基因有重要的参考价值.     

基于MAS的小麦抗赤霉病育种材料抗性评价

为了提高黄淮海麦区小麦育种材料的赤霉病抗性,采用分子标记辅助选择的方法,将来自望水白的4个抗赤霉病主效QTL 3B-QTL、4B-QTL、5A-QTL和6B-QTL导入不同的感病背景中,在后代BC1F3和BC1F4株系中评价它们的抗病效应和农艺性状回复情况。结果表明:(1)导入4个抗病QTL株系的平均病小穗率和病粒率分别为12.2%和6.3%,而受体亲本则分别达到59.1%和44.2%,抗病性显著提高;(2)病小穗数和病粒率与穗长及株高极显著负相关,但与可育小穗数、百粒重、旗叶长和旗叶宽等农艺性状指标没有显著相关性。因此,通过导入抗病主效QTL可以显著改善感病材料的抗性,为进一步选育高产抗病品种提供基础材料。不良农艺性状的紧密连锁阻碍着抗赤霉病主效QTL的高效利用,需要通过继续回交或与其他品种杂交来打破这种遗传连锁关系。     

小麦对赤霉病抗性不同品种的SOD活性

本研究对9个赤霉病抗性不同小麦品种采用赤霉病菌分生孢子悬浮液以单花针注法进行了田间和温室抗病性鉴定;测定了各品种的胚性愈伤组织和盛花期麦穗分别经赤霉病菌毒素和分生孢子接种前后SOD活性的变化。结果表明,各品种SOD活性与其对赤霉病抗性呈极显著的正相关。接种后寄主的SOD活性均有提高,抗病品种比感病品种提高幅度大,且有新的同工酶带出现。抗病品种望水白比感病品种Alondra“S”多出两条SOD同工酶谱带。SOD在小麦抗赤霉病上可能起积极作用,其活性有可能作为鉴定小麦抗赤霉病的一种生理生化指标。     

小麦对赤霉病抗性不同品种的SOD活性

本研究对９个赤霉病抗性不同小麦品种采用赤霉病菌分生孢子悬浮液以单花针注法进行了田间和温室抗病性鉴定,测定了各品种的胚性愈伤组织和盛花期麦穗分别经赤霉病菌毒素和分生孢子接种前后ＳＯＤ活性的变化。结果表明,各品种ＳＯＤ活性与其对赤霉病抗性呈极显著的正相关,接种后寄主的ＳＯＤ活性均有提高,抗病品种比感病品咱提高幅度大且有新的同工酶带出现。抗病品种望水白比感病品种Ａｌｏｎｄｒａ＂Ｓ＂多出两条ＳＯＤ同工酶谱     

水稻分蘖角度的QTL定位和主效基因的遗传分析

利用水稻籼粳亚种间组合Asominori×IR24重组自交系(RIL)群体71个株系和相应的全基因组染色体片段置换系(Chromosomesegmentsubstitutionline,CSSL)群体65个株系,在2种环境下对分蘖角度性状进行了数量性状基因座(QTL)定位和上位性效应的遗传分析。在两种群体中都出现了分蘖角度的超亲分离。在RIL群体中发现了5个主效QTLs和3对上位性双位点互作标记基因座,控制水稻分蘖角度。其中在第9染色体上位于XNpb108~C506RFLP分子标记区间的qTA-9基因座在2种环境中同时出现,其贡献率平均为28·6%,增加分蘖角度的等位基因来自籼稻品种IR24。利用CSSL群体图示基因型分析,证实在第9染色体上含有RFLP标记C609和C506约15cM的染色体区段,存在增加分蘖角度的基因,来源于染色体片段供体亲本IR24,在Asominori的遗传背景中能增加分蘖角度约15°,该基因的位置与RIL群体在第9染色体上定位的QTL相同,证实了qTA-9的存在。F1表型测定及F2代遗传分析表明,来自IR24的等位基因是一个不完全显性基因。除一对上位性位点存在显著的环境互作效应外,未发现其他位点存在与环境的互作效应。不同基因的加性效应和双位点的上位性效应的共同作用可能是造成水稻分蘖角度超亲分离的主要原因。     

基于染色体片段导入系发掘抗玉米丝黑穗病主效QTL

选用抗玉米丝黑穗病自交系Mo17和SH15为供体,与受体感病自交系黄早四和昌7-2构建回交群体(BC3F1\BC4F2),通过田间人工接种玉米丝黑穗病原菌鉴定抗病性表现,评价群体抗病性。研究结果显示黄早四×(黄早四×Mo17)BC4F2群体发病率明显高于BC3F1群体;两个BC4F2黄早四×(黄早四×Mo17)和昌7-2×(昌7-2×SH15)群体的发病率差异较大。采用SSR标记分析抗病株的供体染色体导入片段,发现随着回交次数的增多,导入片段数量减少,但不同回交群体中供体导入片段数目明显不同。通过连锁不平衡分析,在染色体2.09和3.04区段发掘和验证2个抗玉米丝黑穗病主效QTL,连锁标记分别为umc2077和phio53或bnlg1965。本文研究结果为抗丝黑穗病基因精细定位和分子聚合育种提供了信息和材料。     

Resistance against Fusarium Head Blight in Transgenic Wheat Plants Expressing the ScNPR1 gene

Fusarium head blight (FHB) is a severe global wheat disease that may cause severe yield losses, especially during epidemic years. Transforming the regulatory genes in the metabolic pathways of disease resistance into wheat via transgenic methods is one way to improve resistance to FHB. ScNPR1 (Secale cereale‐NPR1), a regulatory gene for systemic acquired resistance (SAR), was isolated from S. cereale cv Jingzhouheimai and transformed into the moderately FHB‐susceptible wheat variety Ningmai 13. RT‐PCR analysis indicated that the ScNPR1 gene was stably expressed in transgenic plants. An evaluation of the resistance to FHB revealed that six ScNPR1 transgenic lines (NP1, NP2, NP3, NP4, NP5 and NP6) exhibited significantly higher FHB resistance than the wild‐type wheat Ningmai 13 and the null‐segregated plants. The expression of pathogenesis‐related (PR) genes after Fusarium graminearum inoculation was earlier or higher than those in the wild‐type variety Ningmai 13. The high expression in the early stages of PR genes should account for the enhanced FHB resistance in the transgenic lines. Our results suggest that overexpression of ScNPR1 could be used to improve FHB resistance in wheat.     

小麦抗赤霉病品种NBS同源序列克隆与分析

根据二穗短柄草NBS-LRR类基因的保守序列设计同源引物,以小麦抗赤霉病品种苏麦3号、宁7840和望水白基因组DNA为模板,通过PCR扩增,得到43条序列,其中4条为非编码序列或结构域不完整;39条与植物抗病基因同源,其中的7条内部存在终止密码子,可能是假基因,经过比对分析,其余32条具有连续的开放阅读框和保守结构域,推导的氨基酸序列均具有Kinase-1a、Kinase-2和Kinase-3a及GLPL区等几个保守区,在GenBank中均能找到与之高度同源的其他物种的核酸序列,并且Kinase-2的最后一个氨基酸均为色氨酸(W),属于non-TIR类NBS基因。32条序列可分为4大类,它们之间核苷酸同源性为64%-98%,编码氨基酸同源性为22%-98%。根据序列分析随机设计5对不同基因特异性引物,并利用RT-PCR技术进行表达分析,结果表明,7-1、s-3、s-4和w-2均能表达,说明这些片段可能是功能性抗病基因的部分序列;7-13不表达,再次证明属于假基因。32条序列在之前未被报道过,这些RGA可以作为筛选赤霉病功能性抗病基因的候选序列。     

Fusarium Head Blight of Common Polish Winter Wheat Cultivars – Comparison of Effects of Fusarium avenaceum and Fusarium culmorum on Yield Components

The effects of Fusarium avenaceum and Fusarium culmorum on the reduction in yield components, after independent inoculation of 14 winter wheat cultivars, were investigated. Single isolates of F. avenaceum and F. culmorum were independently used in inoculations of winter wheat heads. Reductions in the following yield traits: 1000‐kernel weight (TKW), the weight (WKH) and number (NKH) of kernels per head after inoculation were analysed statistically. The results indicate differences between both pathogens in their effects on yield traits. The statistical calculations were performed using analysis of variance (a three‐factor experiment) for particular yield trait reductions and multivariate analysis of variance for the yield trait reductions jointly. Almost all of the univariate and multivariate hypotheses concerning no differences between pathogens (F. culmorum, F. avenaceum), climatic conditions (years) and cultivars as well as hypotheses concerning no interactions between factors (pathogens, years, cultivars) were rejected at least at P= 0.05 significance level. The reduction of yield traits indicated individual reactions of the tested winter wheat cultivars to different pathogens. Among the tested traits the highest influence on the rejection of the hypothesis concerning the equivalence of F. avenaceum and F. culmorum was observed for TKW and WKH. The effect of the pathogen on yield reduction was greater for F. avenaceum than for F. culmorum during 1996 and 1997. A comparison of the cultivars indicated that the Begra cultivar showed the highest tolerance to inoculation with both Fusarium pathogens. Moreover, this genotype as well as several others showed lower tolerance to F. avenaceum rather than to F. culmorum, whereas Elena was the only cultivar with the opposite tendency.     

Evaluation of Barley and Wheat Germplasm for Resistance to Head Blight and Mycotoxin Production by Fusarium asiaticum and F. graminearum

Fusarium head blight (FHB) is one of the most serious diseases in barley and wheat, as it is usually accompanied by the production of harmful mycotoxins in the grains. To identify FHB-resistant breeding resources, we evaluated 60 elite germplasm accessions of barley (24) and wheat (36) for FHB and mycotoxin accumulation. Assessments were performed in a greenhouse and five heads per accession were inoculated with both Fusarium asiaticum (Fa73, nivalenol producer) and F. graminearum (Fg39, deoxynivalenol producer) strains. While the accessions varied in disease severity and mycotoxin production, four wheat and one barley showed <20% FHB severity repeatedly by both strains. Mycotoxin levels in these accessions ranged up to 3.9 mg/kg. FHB severity was generally higher in barley than in wheat, and Fa73 was more aggressive in both crops than Fg39. Fg39 itself, however, was more aggressive toward wheat and produced more mycotoxin in wheat than in barley. FHB severity by Fa73 and Fg39 were moderately correlated in both crops (r = 0.57/0.60 in barley and 0.42/0.58 in wheat). FHB severity and toxin production were also correlated in both crops, with a stronger correlation for Fa73 (r = 0.42/0.82 in barley, 0.70 in wheat) than for Fg39.     

浅议小麦赤霉病抗性类型与鉴定方法的对应性

由镰孢菌引起的赤霉病是小麦的重要病害,其抗性比较复杂。准确可靠的鉴定和评价方法是抗性改良成功的前提。评述了小麦赤霉病抗性类型及其不同赤霉病抗性鉴定和评价方法的优缺点,重点讨论了抗性类型与抗性鉴定方法的对应性。希望对赤霉病表型鉴定、不同抗性类型的理解和评价以及抗性改良有借鉴意义。     

我国小麦赤霉病成灾原因分析及防控策略探讨

小麦是世界上三大粮食作物之一,是全球30亿以上人口的主粮。近年来,由于各种病虫害危害,全球小麦生产和粮食安全受到严重威胁,其中由禾谷镰刀菌引起的小麦赤霉病是小麦生产上重要的病害之一。此外,病菌会产生多种真菌毒素对人畜生命健康构成严重威胁。化学药剂的使用以及抗病品种的种植可以有效地控制小麦赤霉病的发生。但是,由于高产优质抗病品种匮乏、气候变暖等因素影响,小麦赤霉病在我国小麦主产区频繁暴发;同时,赤霉病菌抗药性产生致使化学农药的防控效果大大降低。从气候变化、耕作制度改变、小麦品种抗性及病菌抗药性等方面,分析了赤霉病暴发成灾的主要原因。在此基础上,结合当前赤霉病防控研究进展以及存在的科学问题,探讨该病害持续绿色防控的对策建议,以期为我国小麦赤霉病的防控研究提供参考。     

大麦赤霉病抗扩展性鉴定与评价

利用禾谷镰刀菌单花滴注接种研究了245份大麦品种对赤霉病抗扩展性。结果表明,大麦赤霉病抗性除了抗初侵染外还存在抗扩展类型。比较了接种后7d、14d和21d的病小穗数和病小穗率以覆由不同期病小穗率获得的病程曲线面积等7个指标性状,并对其进行遗传参数分析,发现21d病小穗率指标在品种间具帔大的变幅、遗传变异系数和遗传率,21d病小穗数和病程曲线面积与病小穗率呈极显著正相关。不同大麦品种抗扩展性表现不一,供试品种中以Suyin21、乌金一号、莆846193、盐97001、96AC20-30五个品种21d病小穗率最低,为高抗品种,占全部供试品种的2．04％。     

小麦赤霉病新抗源的发掘与抗性位点的检测分析

小麦赤霉病是由禾谷镰刀菌引起的世界性重要病害,发掘优异的抗性种质资源、培育抗病品种是持续防治赤霉病最经济且环境友好的措施。为发掘新的赤霉病抗源,本研究于2017—2021年在弥雾保湿大棚中,采用单花滴注法对642份小麦种质资源的赤霉病抗扩展性进行鉴定,同时利用已知抗赤霉病基因/位点Fhb1~Fhb7的分子标记对筛选出的抗性种质基因型进行分析。结果表明,不同年份间赤霉病病小穗率的相关性均达到极显著水平。筛选到3年及以上赤霉病抗性优于扬麦158的种质81份,主要来自长江中下游麦区,其中33份种质连续4年抗性优于扬麦158;筛选到3年及以上抗性与苏麦3号相当的种质9份,分别为望水白、Grandin、浩麦1号、剑子麦、魁小麦、农林26、软秆洋麦、苏麦2号和武农6号,其中剑子麦、软秆洋麦、苏麦2号和Grandin连续4年抗性与苏麦3号相当。对抗性种质携带的抗赤霉病基因/位点进行分析发现,浩麦1号、冀师7225-28、南农13Y110、石优17和武农6号不携带任何已知抗赤霉病基因/QTL,为小麦抗赤霉病研究和品种培育提供了新的种质资源和理论依据。     

小麦抗赤霉病利器——他山之石

赤霉病是我国乃至世界小麦(Triticum aestivum)产区的重要病害, 给农业生产和人畜健康造成重大威胁。分离鉴定优质抗病基因、培育抗病品种, 是控制我国麦区赤霉病的重要手段。最近, 山东农业大学孔令让团队完成了二倍体长穗偃麦草(Thinopyrum elongatum)基因组的组装, 并在此基础上通过精细定位和图位克隆分离得到来自长穗偃麦草的抗赤霉病基因Fhb7。他们发现Fhb7编码1个谷胱甘肽转移酶, 对禾谷镰孢菌(Fusarium graminearum)分泌的包括呕吐毒素等在内的多种毒素具有解毒作用, 是1个广谱持久抗病基因。他们还发现Fhb7很可能最初源于内生真菌, 经过基因水平转移进入到偃麦草基因组中。此外, Fhb7不影响其它农艺性状, 且其抗性不受小麦遗传背景影响。这一系列工作揭示了作物抗病演化中的全新机制, 对小麦抗赤霉病育种以及更好地利用长穗偃麦草的丰富基因资源都具有重要意义。     

基于共表达网络和蛋白互作分析挖掘小麦赤霉病抗性相关核心蛋白

高通量蛋白组学技术能够鉴定小麦特定组织的蛋白表达水平,对小麦穗轴混池蛋白组学分析得到的632个差异表达蛋白数据进行共表达网络分析,同时筛选显著表达模块进行蛋白质互作分析,以期挖掘出与小麦赤霉病抗性相关的蛋白。WGCNA分析结果共构建了12个表达模块,其中模块6与赤霉病抗病呈极显著相关,模块8显著相关。蛋白互作网络分析筛选到7个候选蛋白,分别为参与毒素降解的GST （glutathione S?transferase）和AdoMet?MTase（S?adenosylmethionine?dependent methyltransferase）,参与光合作用的IM30（membrane?associated 30 Da, chloroplastic）、PnsL2（photosynthetic NDH subcomplex L 2）和PPL1（PsbP?like protein 1）,以及抗逆相关的UCHL（ubiquitin carboxyl?terminal hydrolase）和MetAP2（methionine aminopeptidase 2）。这些蛋白可能在赤霉病抗、感病响应中具有重要作用,值得进一步研究。