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17个粗山羊草品种(系)抗叶锈基因的鉴定



全 文 :第 33卷第 5期
2 0 1 0年 9月
河 北 农 业 大 学 学 报
JOURNA L OF AGRICULT URAL UNIVERS IT Y OF HEBEI
    Vol.33 No.5
Sep .2 0 1 0
文章编号:1000-1573(2010)05-0034-06
17个粗山羊草品种(系)抗叶锈基因的鉴定
陈玉婷1 ,  魏学军1 ,  高 峰2 ,  胡亚亚1 ,  张 娜1 ,
王晓辉1 ,  杨文香1 ,  刘大群1
① (1.河北农业大学 植物病理系/河北省农作物病虫害生物防治工程技术研究中心 , 河北 保定 071001;
2.河北农业大学 党委办公室 , 河北 保定 071001)
摘要:为鉴定 17 个粗山羊草品种(系)中可能含有的抗叶锈病基因 , 用 10 株具有不同毒力的小麦叶锈菌混合菌
对 17 个粗山羊草品种进行成株期抗叶锈性鉴定 , 筛选出 7 个在田间对叶锈菌有抗性的材料。用抗叶锈基因
Lr1 、Lr9 、Lr19 、Lr21 、Lr24 、Lr28 、Lr29和 Lr34的 STS 、SCAR或 CAPS 标记对这些品种进行分子辅助鉴定。初
步明确粗山羊草 CN40033 和 CN30823中可能含有 Lr1 基因;CN42471 中可能含有 Lr9 基因;CN30942 中可能
含有 Lr21;供试的 17 个粗山羊草品种中都不含有 Lr19 、Lr24 、Lr28 、Lr29和 Lr34。
关 键 词:小麦叶锈病;粗山羊草;抗叶锈病基因;分子标记辅助鉴定
中图分类号:S 435.121.43 文献标志码:A
Identification of wheat leaf rust resistance gene
in 17 Aegilops tauschii lines
CHENYu-ting1 , WEI Xue-jun1 , GAO Feng2 , HU Ya-ya1 , ZHANG Na1 ,
WANG Xiao-hui1 , YANGWen-xiang1 , LIU Da-qun1
(1.Depa rtment of P lant Patholog y , Agricultural Univer sity o f Hebei , Bio log ical Control Center of P lant
Diseases and Plant Pests of Hebei P ro vince , Baoding 071001 , China;
2.The office o f the Party Commit tee , Agricultural Univer sity of Hebei , Baoding 071001 , China)
Abstract:The objective of this research is to identify the w heat leaf rust resistance genes in the
Aegi lops tauschii.M ix ture of ten wheat leaf rust patho types conferring dif ferent vi rulence to
w heat w as used to identify the w heat leaf resistance genes of 17 lines of A.tauschii.Seven of
the eleven acce ssions w ere resistant to the test pathotypes of Puccinia trit icina at adult stage.
A series of STS , SCAR and CAPS marker s linked to resistance genes of Lr1 , Lr9 , Lr19 ,
Lr21 , Lr24 , Lr28 , Lr29 and Lr34 w ere used for marke r assisted identification.The resul ts
show ed that Lr1 might be present in CN40033 and CN30823 , and Lr9 identified in CN42471and
Lr21 w as found in CN30942.Five gene s Lr19 , Lr24 , Lr28 , Lr29 and Lr34 we re not identified
in the 17 lines.
Key words:wheat leaf rust;Aegilops tauschii;resistance gene;molecular marker-assisted selection
①收稿日期:2010-04-01
基金项目:国家“十一五”支撑计划(2006BAD08A05).
作者简介:陈玉婷(1984-),女 ,河北省蔚县人 , 硕士 ,研究方向为分子植物病理学.
通信作者:杨文香(1966-),女 ,河北沧州人 , 教授 ,研究方向为分子植物病理学及植物病害生物防治.
刘大群(1958-),男 ,河北石家庄人 , 教授 ,研究方向为分子植物病理学及植物病害生物防治.
 第 5期  陈玉婷等:17个粗山羊草品种(系)抗叶锈基因的鉴定
  由小麦叶锈菌(Puccinia tri ticina)引起的小麦
叶锈病在世界各产麦区均有发生[ 1] ,也是影响我国
小麦生产的重要因素之一 ,在发病条件适宜时会造
成巨大的损失 ,近年来该病的发生有不断上升的趋
势。选育并合理利用抗锈病品种是控制小麦叶锈病
最经济 、安全 、有效的方法 ,但是由于小麦叶锈病菌
毒性基因的产生及小种毒力的上升 ,经常导致品种
抗锈性的“丧失” ,因此充分利用叶锈病“二线抗源” ,
发掘新的抗叶锈性基因已成为抗叶锈研究的一项重
要内容。
目前 , 抗叶锈病基因 Lr1[ 2] 、Lr9[ 3] 、Lr19[ 4] 、
Lr21[ 5] 、 Lr24[ 6] 、 Lr28[ 7] 、 Lr29[ 8] 和 Lr34[ 9] 的
RFLP 、RAPD 、AFLP 标记已转化为可以用于分子
辅助鉴定的稳定 STS(Sequence tag ged site)或
SCA R(Sequence characterized amplified regions)标
记 ,为基因的检测提供简便可靠的途径 。陈云芳
等[ 10]用 Lr19的 STS标记对 33个小麦品种进行分子
标记分析鉴定;魏新燕等[ 11] 用 Lr35的 STS 及 SCAR
标记鉴定了 150个农家品种;杨文雄等[ 12] 利用 Lr34/
Yr18的S TS标记对我国小麦育成品种(系)和农家种
的 Lr34/Yr18基因进行检测 ,了解了该基因的分布状
况并筛选出含有目标基因的小麦种质 ,这些研究为生
产品种的合理布局提供了重要依据。
山羊草属(Aegi lops L .)为一年生野生杂草 ,是
与小麦属亲缘关系最近的一个属 ,也是小麦抗病育
种的重要资源。粗山羊草(A.tauschii )隶属于山羊
草属 ,是小麦 D 基因组的供体 ,该物种具有遗传基
础丰富 、抗逆性强的特点 。抗秆锈基因 Sr33 和
Sr41 ,抗叶锈基因 Lr21 、Lr22a 、Lr32 、Lr39 、Lr42和
Lr43 ,抗条锈基因Yr24和Y r28以及抗白粉病基因
Pm2和 Pm19都来自于粗山羊草。将粗山羊草的
抗病基因转移到普通小麦中 ,可拓宽小麦抗病基因
的来源并增加育成品种的遗传基础 。Gill等[ 13] 对
21个种的 187份山羊草材料进行抗叶锈鉴定 ,发现
有 124份材料具有抗叶锈性 。冯丽娜等[ 14] 对 6 个
粗山羊草品种进行了苗期抗叶锈鉴定及抗叶锈基因
推导 ,初步了解了这些材料的抗叶锈性。本研究以
17个来自加拿大作物资源部的粗山羊草为材料 ,采
用大田接种的方法 ,用不同致病类型的小麦叶锈菌
株混合后进行抗叶锈性鉴定 ,并利用已发表并验证
的 Lr1 、Lr9 、Lr19 、Lr21 、Lr24 、Lr28 、Lr29 、Lr34 的
S TS 、SCAR或 CAPS 分子标记进行分子辅助鉴定 ,
初步确定研究材料中含有的已知抗叶锈病基因或新
的未知抗叶锈基因 ,为准确了解粗山羊草的抗叶锈
基因资源 、创制新的抗叶锈新品种并应用于生产奠
定基础 。
1 材料与方法
1.1 植物材料及叶锈菌种
定位于小麦 D染色体的 6 个抗叶锈病近等基
因系及来源于山羊草的 2个抗叶锈病近等基因系材
料(表 1);感病对照 Thatcher 由河北农业大学小麦
锈病研究室提供。17个粗山羊草品种(CN30802 、
CN30803 、 CN30805 、 CN30818 、 CN30811 、
CN30812 、 CN30813 、 CN30819 、 CN30823 、
CN40033 、 CN30938 、 CN30939 、 CN30940 、
CN30941 、CN30942 、CN30948 、CN42471)由加拿大
农业及农产品和加拿大植物资源部(Agriculture
and Ag ri-Food Canada , Plant Gene Resources of
Canada(PG RC))提供 。
研究使用 10个具有低 、中 、高不同致病能力的
小麦叶锈菌菌系 FHHT(99-8-8-3-5)、TCH T
(04-15-8①-5)、PBGP(82-11-122-2)、TCQT
(03-5-99-5)、PCGT(04-15-7②)、FHQT(04-
3-1-1)、RCHT(01-5-x-14(6)Ⅱ)、PCQT(03-0
-1-2-2②)、NCRT(04-3-2(5)Ⅱ)、THST(99
-8-9-2-5-2)等量混合 ,进行抗叶锈性接种试
验 ,这些菌系均由河北农业大学小麦锈病研究室提
供 。
表 1  8 个用于分子鉴定的近等基因系及其
抗叶锈基因所在染色体 、来源
Table 1 The chromosome location and resources of eight
wheat leaf rust resistance genes in near iso-genic lines
近等基因系
Near iso-
gene tic lines
抗病基因
Resistance
gene
染色体定位
Chromosome
lo ca tion
基因来源
Resource
T cLr1 Lr1 5D L 普通小麦(T.aestivum)
T cLr9 Lr9 6BL 小伞山羊草(Ae.umbe llulata)
T cL r19 Lr19 7D L 长穗偃麦草(Ag.elongatum)
T cL r21 Lr21 1D L 方穗山羊草(Ae.squarrosa)
T cL r24 Lr24 3D L 长穗偃麦草(Ag.elongatum)
T cL r28 Lr28 4A L 拟斯卑尔脱山羊草(Ae.spel toides)
T cL r29 Lr29 7DS 长穗偃麦草(Ag.elongatum)
T cL r34 Lr34 7D 顶芒山羊草(Ae.comosa)
1.2 试验方法
1.2.1 田间抗性鉴定 将 17个粗山羊草品种播种
于试验田中 ,用具有低 、中 、高不同致病能力的小麦
叶锈菌混合菌种(FHH T 、TCHT 、PBG P 、TCQT 、
PCG T 、FHQ T 、RCHT 、PCQ T 、NCRT 、THST)的
孢子悬浮液(加入 0.03%的吐温 20)于拔节期进行
35
      河 北 农 业 大 学 学 报 第 33卷
喷雾接种 ,保湿 12 ~ 16 h 后 ,在自然条件下发病 。
在接种 15 d后开始调查侵染发病情况 ,分别于接种
后 22 d和 28 d进行第 2 、3次调查。上述鉴定均按
Roelfs[ 15] 标准进行 ,其中 0 、;、1 、2 侵染型为抗病表
现型 ,3 、4侵染型为感病表现型。
1.2.2 抗叶锈病基因的分子鉴定  采用 CTAB
法[ 16]提取 8 个抗叶锈病近等基因系 , 感病亲本
Thatcher 及 17 个粗山羊草品种的叶片基因组
DNA 。用紫外分光光度计测定样品的纯度 , A 260
nm/A 280nm =1.8 ~ 2.0;0.8%琼脂糖凝胶电泳检
测 ,测定 DNA 样品的浓度。
本研究以感病亲本 Thatcher 和抗叶锈病近等
基因系为参照 ,同时设清水对照 ,采用已发表并验证
的 Lr1[ 2] 、Lr9[ 3] 、Lr19[ 4] 、Lr21[ 5] 、Lr24[ 6] 、Lr28[ 7] 、
Lr29
[ 8] 、Lr34[ 9] 的 S TS 、SCAR 和 CA PS 分子标记
(见表 2)确定 17个粗山羊草品种中 ,可能含有的抗
叶锈病基因 ,试验均独立重复 3次。
PCR反应体系以50 ng DNA为模板 ,加入 10 ×
Buf fer 2 μL(含 Mg2+), 引物各 0.5 μL(10 μmo l/
L),dNT P 0.4 μL(10 mmol/ L), Taq DNA 聚合酶
0.2μL(5 U/μL),加水至 20 μL。PCR程序为 94
℃变性 5 min;然后94 ℃变性 1 min ,55 ~ 65 ℃退火
1 min ,72 ℃延伸 2 min , 35个循环;最后 72 ℃延伸
10 min ,4 ℃保存。PCR产物用 1.2%的琼脂糖凝
胶电泳进行检测。
表 2 STS、SCAR或 CAPS引物序列
Table 2 Sequences of STS、SCAR or CAPS primers
基因
Gene
标记类型
Marker
type
引物名称
Marker
nam e
引物序列(5-3)
Sequ ence of
primer(5-3)
退火温度/ ℃
Annealing
temperatu re
片段大小/ bp
Siz e of
f ragm ent
参考文献
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csLv34R TGCT TGCT AT TGCTGAAT AG T
2 结果与分析
2.1 田间抗病性鉴定
将播种于试验田中的 17 个粗山羊草品种在接
种混合菌种后进行抗病性鉴定 ,结果如表 3所示 ,粗
山羊草 CN30802 、CN30805 、CN30938 、CN30941 、
CN30942在 3 次调查后均表现免疫或近免疫 ,
CN30813表现高度抗病 , CN30803和 CN30823 表
现出产孢子量少 ,侵染型(IT =3)出现较晚的特性。
推测这 7个品种中可能含有有效的抗叶锈病基因 ,
可以作为抗病育种的抗源材料。
36
 第 5期  陈玉婷等:17个粗山羊草品种(系)抗叶锈基因的鉴定
表 3 17 个拿大山羊草品种抗叶锈性的鉴定结果
Table 3 Wheat leaf rust resistance investigation of 17 Aegilops tauschii
山羊草品系
Aeg ilops tauschii
田间抗病性鉴定结果 Resistance investig ation in field
接种后 15 d
15 day s po st ino culation
接种后 22 d
22 days post inocula tion
接种后 28 d
28 day s po st inoculation
侵染型
IT
抗病类型
Resistance type
侵染型
IT
抗病类型
Resistance type
侵染型
IT
抗病类型
Resistance type
CN30802 0 I 0 I 0 I
CN30803 3 SR 3 SR 3 SR
CN30805 1 R 1 R ; NIM
CN30811 3 MS 3 MS 4 S
CN30812 3 MS 3 MS 3 MS
CN30813 1 R 1 R 1 R
CN30818 3 MS 3 MS 3 MS
CN30819 4 S 4 S 3 MS
CN30823 3 SR 3 SR 3 SR
CN40033 3 MS 3 MS 3 MS
CN30938 ; NIM ; NIM ; NIM
CN30939 4 S 4 S 4 S
CN30940 3 MS 4 S 3 MS
CN30941 0 I 0 I 0 I
CN30942 0 I 0 I ; NIM
CN30948 4 S 4 S 3 MS
CN42471 3 MS 3 MS 3 MS
  注:“ 0” :无夏孢子堆或肉眼可见的侵染点;“ ;” :无夏孢子堆 , 但有坏死或褪绿斑;“ 1” :夏孢子堆小 , 周围有坏死斑;“ 2” :夏孢子堆小至
中等 ,周围有坏死或褪绿;“ 3” :夏孢子堆中等 , 周围有或无褪绿;“ 4” :夏孢子堆大 , 无褪绿和坏死 , 常有卫星孢子堆.“ I” :免疫;“NIM” :近
免疫;“R”:高抗;“MR” :中抗;“ SR” :慢锈;“MS” :中感;“ S” :高感.
2.2 粗山羊草的分子辅助鉴定
2.2.1 基因组 DNA 的提取和检测 采用 CTAB
法提取粗羊草叶片基因组 DNA ,基因组 DNA 在
1.0%琼脂糖凝胶电泳检测结果如图 1 。由图中可
以看出 ,供试材料的基因组 DNA 经电泳后主带清
晰而集中 ,没有明显 Smear 现象 ,说明 DNA 比较完
整。测定的 OD 260/ 280的比值在 1.8 ~ 2.0之间 ,适合
于 PCR扩增 。
注:泳道 1 ~ 18:加拿大山羊草 30942 , 30940 , 30819 , 30812 , 30803 ,
30811 , 30948 , 42471 , 30818 , 30938 , 30802 , 30941 , 30813 , 30939 ,
30805 , 40033;M:分子量标准 DL2000.
图 1 DNA在琼脂糖上的检测结果
Fig.1 Checking for DNA quality on 1.0% agrose gel
2.2.2  粗山羊草品种的分子鉴定  以 ddH 2O 、
Thatcher 为对照 , 采用分别对 Lr1 、 Lr9 、Lr19 、
Lr21 、Lr24 、Lr28 、Lr29和 Lr34特异的 S TS 、SCAR
或 CA PS引物对相应的近等基因系和 17个粗山羊
草品种 DNA 进行 PCR扩增。结果表明 TcLr1 中
扩增出 760 bp 的目的片段 ,粗山羊草 CN40033和
CN30823均扩增产生 760 bp的条带 ,推测这 2个材
料中可能含有 Lr1(图 2A)。TcLr9中扩增出 1 100
bp的目的片段 ,粗山羊草 CN42471在 1 100 bp处
出现条带 ,推测该材料可能含有 Lr9连锁位点(图
2B)。TcLr 21中扩增出 669 bp和 720 bp 两条片段 ,
在 Thatcher中 720 bp处出现条带 ,说明 669 bp处的
条带为 Lr21的特异片段 ,仅粗山羊草 30942扩增出
了 669 bp 特异性片段 , 而在粗山羊草 CN30803 、
CN30948 、CN42471 、CN30938 、CN30802 、CN30941
和 CN30939中均扩增得到 720 bp 的条带 ,由此推
测粗山羊草 CN30942 中含有 Lr21 基因(图 2E);
TcLr19经与 Lr19紧密连锁的正向 SCA R标记检
测扩增得到 512 bp大小的片段 , Thatcher 未出现任
何条带 , 而 TcLr19 经与 Lr19 紧密连锁的反向
SCAR标记检测后未出现任何条带 , Thatche r中扩
增得到 736 bp 大小的特异片段 , 17个粗山羊草品
种中均未出现 512 bp大小片段却均含有 736 bp大
小的特异片段 ,由此可以推断 17个粗山羊草品种均
不含有 Lr19 基因(图 2C , 2D);TcLr24 、TcLr28 、
TcLr29和 TcLr34 中分别扩增出 607 、570 、850 和
37
      河 北 农 业 大 学 学 报 第 33卷
150 bp大小的片段 ,但在 17 个加拿大山羊草品种
中均未出现相应的特异片段 ,推断 17个粗山羊草品
种均不含有 Lr24 、Lr28 、Lr29和 Lr34基因(图 2F 、
2G 、2H 和 2I)。
  注:M:DL2000marker;泳道 1 ~ 3:ddH 2O , TcLr , Thatcher;泳道 4 ~ 20:山羊草 CN30942 , CN30940 , CN30819 , CN30812, CN30803 ,
CN30823 , CN30811 , CN30948 , CN42471 , CN30818 , CN30938 , CN30802 , CN30941 , CN30941 , CN30813 , CN30939 , CN30805 , CN40033.
图 2 加拿大山羊草品种的分子鉴定结果
Fig.2 The result of molecular marker-assisted selection of 17 Ae.tauschii lines
3 讨论
小麦近缘植物是丰富小麦遗传基因库和改良现
代小麦品种的重要种质。粗山羊草是小麦 D 基因
组的供体 ,其重要作用逐渐受到人们的重视。充分 、
合理 、有效地利用粗山羊草 ,必须对要利用的材料进
行鉴定。本研究采用 10株不同毒力的混合叶锈菌
于成株期对 17个粗山羊草品种进行田间抗病性鉴
定 ,整个叶锈菌的侵染发病过程均在自然条件下发
生 ,并且在发病期进行 3次独立的调查 ,可以有效的
避免由环境或人为因素而造成的误差 ,使得鉴定结
果更接近于材料的真实抗性水平。结果发现粗山羊
草 CN30802 、 CN30805 、 CN30938 、 CN30941 、
CN30942在 3次调查后均表现近免疫 , CN30813均
表现高度抗病 , CN30823 和 CN30803 表现出慢锈
性 ,其他品种均表现出感病的症状 。通过对山羊草
品种进行成株期抗叶锈性鉴定 ,可以对供试材料的
抗病性进行初步的了解 ,为发掘新抗叶锈基因提供
依据 。
随着分子生物学技术不断的发展 ,小麦抗叶锈
病基因分子标记的研究取得较大进展[ 17] 。通过寻
找与抗病基因紧密连锁的分子标记 ,能够鉴定出含
有目的基因的植物材料 ,同时验证基因推导的结果 。
本研究在对粗山羊草进行成株期抗性鉴定的基础
上 ,采用已被证明能够用于抗病基因鉴定[ 18] 的与
Lr1 、Lr9 、Lr19 、Lr21 、Lr24 、Lr28 、Lr29 、Lr34紧密
连锁的 S TS 、SCA R或 CAPS 分子标记对材料进行
辅助鉴定。分子鉴定结果发现粗山羊草 CN40033
和 CN30823中含有 Lr1 ,但在成株期鉴定中粗山羊
草 CN40033 表现为感病症状 , CN 30823 表现出慢
锈性 ,本实验室研究发现 Lr1对我国多数小麦叶锈
菌种已丧失抗性[ 19] ,初步推测 CN30823 材料可能
含有 Lr1或含有其他的主效抗病基因;粗山羊草
CN42471通过分子鉴定发现含有 Lr9的连锁位点 ,
从目前的文献报道看 , Lr9来自于小伞山羊草 ,对目
前的小麦叶锈菌均表现出很强的抗叶锈性 ,但在本
研究中成株期鉴定则表现为感病症状 ,推测可能是
由于 Lr9的分子标记检测到了 Lr9的连锁位点 ,由
于 Lr9是外缘基因 ,转入小麦中会携带一些冗余片
段 ,尽管 Lr9的分子标记与该基因紧密连锁 ,但由
于外源片段的不交换性造成该标记与基因间可能存
在较大的物理距离;也可能粗山羊草 CN42471 中含
有该基因的抑制因子;Krat tinger[ 20] 等在研究 Lr34
的分子标记时 ,发现在抗病材料(+Lr34)和感病材
料(-Lr34)中 Lr34 基因 11 805 bp的序列只有 3
个碱基存在差异 ,本研究利用分子标记检测到 Lr9
但田间鉴定为感病 ,可能是由于分子标记所标定的
序列区间内存在个别碱基的差异 ,从而使植株抗性
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 第 5期  陈玉婷等:17个粗山羊草品种(系)抗叶锈基因的鉴定
缺失 ,由于研究尚未对分子标记所示片段进行测序
分析 ,粗山羊草 CN42471是否含有该基因还有待于
进一步的鉴定 。粗山羊草 CN30942 分子鉴定结果
表明该材料中含有 Lr21 ,接种鉴定该材料表现抗病
类型 ,推测此材料的抗性由 Lr21决定;在其它 13个
粗山羊草品中未检测到目标基因的存在 ,接种鉴定
结果表明粗山羊草 CN30802 、CN30805 、CN30813 、
CN30938 、CN30941均表现较强的抗病型 ,山羊草
CN30823表现出慢锈性 ,推测这 6个品种中可能含
有本次试验未检测到的抗叶锈基因或者新抗叶锈基
因。
由于目前的可利用的分子标记有限 ,而且可用
于抗病基因鉴定的标记较少 ,因此本研究只能初步
探明测试材料中可能含有的抗叶锈基因 ,要确定材
料中是否含有已知或未知抗叶锈性基因 ,还须在今
后不断开发利用新的分子标记 ,同时结合基因推导
方法和常规杂交遗传分析 ,对所得结果进行进一步
验证确认 。
参考文献:
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(编辑:李 川)
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