全 文 :麦类作物学报 2015,35(3):312-316
Journal of Triticeae Crops doi:10.7606/j.issn.1009-1041.2015.03.04
网络出版时间:2015-3-7
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20150307.1628.003.html
西藏地方小麦品种曲白春的抗条锈性遗传分析
收稿日期:2014-10-23 修回日期:2015-01-09
基金项目:国家国际科技合作专项(2013DFG31380)
第一作者E-mail:zhouch@cib.ac.cn
通讯作者:徐智斌(E-mail:xuzb@cib.ac.cn)
周春宏1,2,徐智斌1,冯 波1,项 超1,2,王 涛1
(1.中国科学院成都生物研究所,四川成都610041;2.中国科学院大学,北京100049)
摘 要:为了明确曲白春的抗条锈性遗传规律,并为其在抗病育种中的合理利用提供理论指导,本研究
以曲白春与川麦28构建遗传分析群体,以曲白春与中国春构建等位分析群体,用CYR33温室条件下苗期人
工接种遗传分析群体,用混合流行优势小种大田条件下成株期人工诱发接种遗传分析群体和等位分析群体,
同时对曲白春的抗条锈性进行遗传分析,并用小麦抗条锈基因Yr18的特异性分子标记对曲白春进行分子检
测。结果表明,曲白春苗期对CYR33的抗性由一对显性基因控制,成株期对小麦条锈菌的抗性由2对独立显
性核基因控制,即由小麦抗条锈基因Yr18和一对未知的小种专化性抗条锈基因控制。
关键词:曲白春;条锈病;遗传分析
中图分类号:S512.1;S330 文献标识码:A 文章编号:1009-1041(2015)03-0312-05
Genetic Analysis of Stripe Rust Resistance in
Tibetan Wheat Landrace Qubaichun
ZHOU Chunhong1,2,XU Zhibin1,FENG Bo1,XIANG Chao1,2,WANG Tao1
(1.Chengdu Institute of Biology,Chinese Academy of Sciences,Chengdu,Sichuan 610041,China;
2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract:Wheat landrace Qubaichun,originaly from Tibet,showed a good resistance to stripe rust at
seedling and adult stage for several years.To confirm the inheritance of resistance to stripe rust in
Qubaichun,apopulation was generated by crossing Qubaichun with Chuanmai 28for genetic analysis,
and a population was generated by crossing Qubaichun with Chinese Spring for alelic analysis.By ar-
tificial inoculation with CYR33,the resistance to stripe rust among the genetic analysis populations
was investigated at seedling stage in the greenhouse.By artificial induced inoculation with mixed prev-
alent races,the resistance to stripe rust among the two populations was investigated at adult stage in
the field.Furthermore,the stripe rust-resistant gene Yr18 was detected in Qubaichun by molecular
markers.The genetic analysis showed that Qubaichun carried a single dominant resistant gene to
CYR33at seedling stage and two dependent dominant genes at adult stage.Based on alelic analysis
and molecular detection,the results indicated that Qubaichun containing adult-plant resistance gene
Yr18.Consequently,Qubaichun carried stripe rust resistance gene Yr18and an unknown race-specific
resistance gene at adult stage.
Key words:Qubaichun;Stripe rust;Genetic analysis
小麦条锈病由条锈菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)引起,是小麦生产中最严重的病害
之一[1-4]。在许多小麦主栽区,条锈病可导致小麦
减产10%~70%[1]。多年的生产实践和研究表
明,培育和种植抗条锈病小麦品种是控制该病最
经济、有效以及环境友好的策略[1]。然而单一抗
源大面积种植几年后必将选择出与之相对应的新
毒小种而致使其“抗性丧失”,如1950年、1964
年、1990年和2000年条锈病大流行就是这样的
例证[4-5]。因而在小麦生产中要依靠抗病品种持
久控制住小麦条锈病的大流行,就必须不断地寻
找新的抗条锈病种质资源,以增加小麦抗条锈病
种质资源的多样性。目前正式命名的抗条锈基因
已超过60个,大部分基因已经用于小麦抗病育种
中[1,6-7]。然而,随着条锈菌CYR32和CYR33成
为优势小种,我国只有Yr5、Yr10、Yr15、Yr24和
Yr26等少数基因保持抗性[8-11]。此外,近年出现
了V26、贵22-9、贵22-14等新条锈菌致病类型,
四川地区生产上使用较广的92R系列、贵农系
列、川麦 42 等抗源和抗病品种抗性相继失
效[12-13]。因此,一方面亟需寻找新的抗源材料,发
掘新的抗条锈病基因,增加小麦种植区抗病基因
的丰富度,抑制条锈菌的定向选择,减少毒性新小
种的产生。另一方面,注重成株期抗性基因的筛
选和利用,以期培育出持久抗病的小麦品种,这是
解决条锈病害的有效途径之一[14-17]。
曲白春为西藏地方小麦品种,在中国科学院
成都生物研究所双流实验基地、马尔康小麦夏繁
基地种植多年,田间自然诱发或人工诱发接种小
麦条锈菌,均表现为全生育期抗病,且仅有叶尖坏
死现象。2013年经西北农林科技大学植物保护
学院苗期抗条锈性鉴定,曲白春表现为对目前流
行优势小种CYR33免疫。目前还未见对曲白春
的条锈病抗性进行遗传分析的报道。本研究采用
经典遗传学和分子标记检测方法,分析曲白春的
抗条锈性遗传规律,以期为曲白春在抗病育种中
的合理利用提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 材 料
西藏地方小麦品种曲白春、Yr18载体品种中
国春[19]及感病品种川麦28[18]、辉县红,均由中国
科学院成都生物研究所农业生物技术研究中心提
供。相对频率较高和呈上升趋势的小麦条锈菌生
理小种CYR31、CYR32、CYR33和水源类型菌系
Su11-4、Su11-7,均由西北农林科技大学植物保护
学院提供。
1.2 苗期抗条锈性遗传分析
以曲白春为母本、川麦28为父本配置组合,
获得F1 代,F1 代套袋自交获得F2 代群体。在温
室条件下,将亲本及F2 代种子播种在口径为10
cm的塑料盆中,每盆种10粒。待幼苗长至一心
一叶期,采用涂抹法接种条锈菌小种CYR33。接
种后置于10℃黑暗条件下保湿24h,相对湿度为
100%。然后放在培养温室中潜育发病,培养温度
控制在13~16℃,每天光照16h,光照强度为
10 000lx,相对湿度为80%。待感病对照川麦28
充分发病时,逐株调查记录各小麦材料的反应型。
反应型按常规标准划分为6级,即0、0;、1、2、3、
4,代表的抗病性分别为免疫、近免疫、高度抗病、
中度抗病、中度感病和高度感病[20-21]。对F2 代抗
感分离比例进行χ
2 适合性测验,确定抗病基因的
数目以及基因间互作方式。
1.3 成株期抗条锈性遗传分析
2013-2014年度将曲白春、中国春、川麦28、
中国春与曲白春正反交F1、F2 代及川麦28与曲
白春正反交F1、F2 代种子播种在双流实验基地小
麦条锈菌鉴定圃中,行长1.5m,行距0.3m。鉴
定圃四周种植小麦高感条锈病品种辉县红作为条
锈菌诱发行,病圃中每隔10行,种植1行辉县红
作为感病对照。诱发行小麦在返青拔节期采用田
间喷雾法接种条锈菌混合小种(CYR31、CYR32、
CYR33和水源类型菌系Su11-4、Su11-7)。待对
照充分发病时,分单株记录各小麦材料的反应型。
反应型划分标准以及遗传分析方法同1.2.1。
1.4 曲白春Yr18基因的分子标记检测
取小麦幼苗叶片,采用CTAB法提取基因组
DNA[22]。根据 Lagudah等[23]开发的功能标记
cssfr1和cssfr2对小麦材料Yr18基因进行分子标
记检测。其中,cssfr1引物组合为L34DINT9F和
L34PLUSR,cssfr2引物组合为 L34DINT9F和
L34MINUSR,L34DINT9F引物序列为5′-TT
GATGAAACCAGTTTTTTTTCTA-3′,L34P-
LUSR引物序列为5′-GCCATTTAACATAAT
CATGATGGA-3′,L34MINUSR 引 物 序 列 为
5′-TATGCCATTTAACATAATCATGAA-3′,
且均由上海生工生物工程有限公司合成。PCR
反应体系和反应条件参照Lagudah等[23]的方法。
PCR扩增产物用1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测。
·313·第3期 周春宏等:西藏地方小麦品种曲白春的抗条锈性遗传分析
2 结果与分析
2.1 曲白春苗期对CYR33的抗性遗传分析
用CYR33对曲白春、川麦28及曲白春与川
麦28杂交F2 代进行抗病性鉴定,结果表明,川麦
28表现为感病,曲白春表现为抗病,在67株F2
代群体中,抗病植株48株,感病植株19株,经卡
方检验,符合由1对显性基因控制的3∶1的理论
比例(χ
2{3∶1}=0.244<3.84)。表明曲白春对
CYR33的抗病性由1对显性基因控制。
2.2 曲白春成株期抗条锈性遗传分析
用CYR31、CYR32、CYR33和水源类型菌系
Su11-4、Su11-7混合小种大田成株期人工诱发接
种鉴定曲白春、川麦28及曲白春与川麦28正反
交F1、F2 代群体,结果表明(表1),曲白春表现为
抗病,川麦28表现为感病,18株正交F1 代植株
和20株反交F1 代植株均表现抗病。在185株正
交F2 代群体中,抗病植株139株,中抗植株35
株,感病植株11株,经卡方检验,符合12∶3∶1
的理论比例(χ
2{12∶3∶1}=0.031<5.99)。在
153株反交F2 代群体中,抗病植株112株,中抗
植株31株,感病植株10株,经卡方检验,同样符
合12∶3∶1的理论比例(χ
2{12∶3∶1}=0.272
<5.99)。表明曲白春成株期抗条锈性由2对独
立显性核基因控制,其中一对基因的抗性达到免
疫程度,另一对基因为中度抗病基因。
2.3 曲白春Yr18基因的分子标记检测结果
分别用小麦抗条锈基因Yr18的特异分子标
记cssfr1和cssfr2对曲白春、中国春(含Yr18基
因)、川麦28及曲白春与中国春杂交F2 代植株的
基因组DNA进行PCR扩增,扩增产物的琼脂糖
凝胶检测结果如图1和图2所示,cssfr1在中国
春、曲白春及曲白春与中国春杂交F2 代植株的基
因组DNA中均能扩增出517bp大小的特异条
带,而在不含抗条锈基因Yr18的川麦28的基因
组DNA中不能扩增出该特异条带(图1);cssfr2
在无Yr18的川麦28的基因组DNA中能扩增出
523bp的特异条带,而在中国春、曲白春及曲白
春与中国春杂交F2 代植株的基因组DNA中均
不能扩增出该特异条带(图2)。表明曲白春含有
小麦成株期抗性基因Yr18。
2.4 曲白春成株期抗条锈基因与小麦抗条锈基
因Yr18的等位性分析
Yr18特异分子标记检测结果表明曲白春中
1:川麦28;2:中国春;3:曲白春;4~8:曲白春与中国春杂交
所获得的F2代植株;M:DNA marker
1:Chuanmai 28;2:Chinese Spring;3:Qubaichun;4-8:F2
plants of Qubaichun and Chinese Spring;M:DNA marker
图1 标记cssfr1的PCR扩增产物电泳图
Fig.1 The PCR products amplified by marker cssfr1
M:DNA Marker;1:川麦28;2:中国春;3:曲白春;4~8:曲白
春与中国春杂交所获得的F2代植株
M:DNA marker;1:Chuanmai 28;2:Chinese Spring;3:
Qubaichun;4-8:F2plants of Qubaichun and Chinese Spring
图2 标记cssfr2的PCR扩增产物电泳图
Fig.2 The PCR products amplified by marker cssfr2
含小麦抗条锈病基因Yr18,进一步以曲白春和
Yr18载体材料中国春为亲本配置正反交组合,用
混合小种成株期人工诱发接种正反交组合的各世
代。抗病性鉴定结果表明(表1),曲白春表现为
抗病,中国春表现为中度抗病,F1 代植株均表现
抗病。正交F2 代群体中,抗病植株193株,中抗
植株63株,经卡方检验,符合3∶1的理论比例
(χ
2{3∶1}=0.005<3.84)。反交F2 代群体中,
抗病植株133株,中抗植株55株,经卡方检验,符
合3∶1的理论比例(χ
2{3∶1}=1.596<3.84)。
正反交组合抗感分离比一致。在总共444株的正
·413· 麦 类 作 物 学 报 第35卷
反交F2 代群体中只出现了两种抗病类型,即亲本
曲白春的抗病表型-抗病,亲本中国春的抗病表
型-中度抗病,没有出现感病植株。在总共326
株的抗病植株中,所有植株抗病性与曲白春抗条
锈性表现一致。在总共118株的中抗植株中,所
有植株抗病性与中国春抗条锈性表现一致。表明
曲白春和中国春中均含有纯合抗病基因Yr18。
曲白春成株期抗病性由2对独立显性核基因控
制,即由小麦抗条锈基因Yr18和1对显性未知的
小种专化性抗条锈基因独立控制。
表1 曲白春成株期抗条锈基因遗传分析
Table 1 Genetic analysis of resistant genes of Qubaichun to stripe rust at adult plant stage
亲本组合
Parents
combination
世代
Generation
抗病植株数
Number of
resistant plants
中抗植株数
Number of middle
resistant plants
感病植株数
Number of
susceptible plants
期望比
Expected
ratio
卡方值
χ2
Value
曲白春×川麦28 F1 18 0 0
Qubaichun×Chuanmai 28 F2 139 35 11 12∶3∶1 0.030 6
川麦28×曲白春 F1 20 0 0
Chuanmai 28× Qubaichun F2 112 31 10 12∶3∶1 0.272 0
中国春×曲白春 F1 17 0 0
Chinese Spring× Qubaichun F2 133 55 0 3∶1 1.595 7
曲白春×中国春 F1 18 0 0
Qubaichun×Chinese Spring F2 193 63 0 3∶1 0.005 2
3 讨 论
2013年经西北农林科技大学植物保护学院
温室苗期抗条锈性鉴定,曲白春表现为对当下流
行优势小种CYR33免疫。抗条锈性遗传分析表
明,曲白春苗期对CYR33的抗性由1对显性基因
控制,曲白春成株期抗条锈性由2对独立显性基
因控制,其中一对基因的抗性达到免疫程度,另一
对为中度抗病基因。由于曲白春具有全生育期抗
性基因,该基因在成株期也会表达,所以控制曲白
春成株期抗性的1对基因为全生育期抗性基因,
即小种专化抗条锈基因。
田间调查曲白春和川麦28杂交组合后代抗
病表现时,发现部分小麦植株有叶尖坏死的现象。
推测曲白春可能含有成株期抗条锈基因Yr18,然
而小麦叶尖坏死不能完全代表抗病基因Yr18/
Lr34/Pm38存在,需要进一步用分子标记进行检
测[24-25]。2009年,Krattinger等[19]利用图位克隆
法,克隆了抗条锈基因Yr18/Lr34/Pm38,并发现
小麦中仅存在2个等位基因,一个是感病的等位
基因-Yr18/Lr34/Pm38,另一个是抗病的等位基
因+Yr18/Lr34/Pm38。Lagudah等[23]根据抗病
等位基因在外显子11上的 TTC 缺失开发了
cssfr1~cssfr5等5对功能标记,可以准确鉴定小
麦在Yr18/Lr34/Pm38位点的等位变异类型。本
研究用功能标记cssfr1和cssfr2检测表明,曲白春
中该位点的等位变异类型为+Yr18/Lr34/Pm38,
即曲白春含有小麦成株期抗条锈基因Yr18。中
国春为Yr18的载体材料,对曲白春和中国春的杂
交F2 代进行抗感鉴定,分析抗病基因的等位性。
F2 代群体中只出现了两种抗病类型,即亲本曲白
春的抗病表型-抗病,亲本中国春的抗病表型-
中度抗病,没有出现感病植株。表明曲白春和中
国春中均含有纯合抗病基因Yr18。进一步明确
曲白春含有成株期抗条锈基因Yr18,其中Yr18
的抗条锈性为中度抗病。
进一步对曲白春和中国春正反交组合各世代
进行抗病性鉴定和遗传分析,正反交组合F2 代群
体均符合3∶1的抗感分离比,表明曲白春成株期
抗性由2对独立显性核基因控制。结合上一步的
分析,可知曲白春成株期抗性由小麦抗条锈基因
Yr18和1对显性未知的小种专化性抗条锈基因
独立控制。
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