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Identification and Molecular Mapping of Adult-plant Stripe Rust Resistance in Synthetic Wheat CI184

人工合成小麦CI184条锈病成株抗性基因的鉴定及分子标记定位



全 文 :书西北植物学报!
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文章编号$
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收稿日期$
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基金项目$国家高技术研究发展计划"
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作者简介$张
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淼"
#22(
#!女!在读硕士研究生!主要从事小麦遗传育种研究工作
3)45.6
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/78.4894
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通信作者$马翎健!博士!教授!主要从事小麦抗病分子育种及雄性不育机理研究工作
3)45.6
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456.0
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0=/85>+?@8+:0
人工合成小麦
$%&(
条锈病成株抗性
基因的鉴定及分子标记定位

!
淼#!!张增艳!!蒲宗君%!叶兴国!!郑建敏%!徐世昌$!

!
晶$!魏学宁!!马翎健#"
"
#
西北农林科技大学 农学院!陕西杨陵
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&
!
中国农业科学院作物科学研究所%农作物基因资源与基因改良国家重大科学
工程%农业部麦类生物学与遗传育种重点实验室!北京
#"""2#
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四川省农业科学院作物研究所!成都
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$
中国农业科学院
植物保护研究所!北京
#"""$
#

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要$以硬粒小麦
)
粗山羊草人工合成小麦
AB#2$
(感病品种)铭贤
#,
*及其杂交组合的正反交
C
#
以及
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%)铭

#,
*
C
!
(
C
!
$
%
家系为材料!鉴定其条锈病抗性!对
AB#2$
条锈病抗性进行遗传分析&采用
DDE
分子标记技术和集
群分离分析法进行多态性筛选!以
C
%
抗病鉴定数据为依据!对
AB#2$
中条锈病抗性基因进行分子标记定位结果
显示$"
#
#
AB#2$
在苗期抗性鉴定中!对
%"
种小麦条锈菌生理小种表现抗性!但对中国四川新出现的条锈菌生理小

F!,
表现苗期感病&在田间成株抗性接种鉴定中!
AB#2$
对中国流行的小麦条锈菌生理小种条中
%!
(条中
%%
(水

$
(水源
*
(水源
&

F!,
等表现出成株抗性"
!
#
AB#2$
中条锈病抗性由隐性基因位点控制"
%
#仅检测到一个
控制条锈病抗性的
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位点!位于
#J
染色体上
K
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K=4:,!,
之间!暂时命名为
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L
M+99
+
#J
!在四川和北

!
个环境中可分别解释
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的成株抗性贡献率"
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#
G
L
M+99
+
#J
位点的
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标记和
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#

DDE
标记可以区分该位点与
#J
染色体上的其他抗条锈病基因!如
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(
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%
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G
L
M+99
+
#J
位点在小麦条锈病的抗病育种中具有潜在的应用价值
关键词$合成小麦&条锈菌&条锈病抗性基因&隐性基因位点&
DDE
标记
中图分类号$
G&2
文献标志码$
1
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33
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45Ma?M
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小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型"
%()0
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-
."/*&>+/
^
+"**)*
#引起的一种全球分布
最广(最具毁灭性的小麦病害!也是中国小麦生产上
最重要的病害之一!主要危害中国西北(西南(华北
和淮北冬麦区以及西北春麦区的小麦生产,#-其孢
子可借助风力传播数百甚至数千公里!造成条锈病
菌的广泛蔓延!甚至在严重的年份导致条锈病的大
流行,!-条锈病常引起籽粒皱缩及植物生长发育减
弱!从而降低小麦的产量和质量,%-
!""!
年发生在
中国的条锈病大流行感染了
##
个省大约
,,"
万公
顷的小麦!致使当年粮食产量减产
#%"
万吨,$)*-近
年来!中国条锈病流行程度较
!""!
年大流行相比偏
轻!
""
"
!"#%
年!平均每年发生面积约
!%"
万公
顷,)#"-!但仍是危害中国小麦生产的严重病害之一
实践证明!筛选(培育和种植抗条锈病品种才是
最为经济有效且环保的防治方法,##)#!-小麦条锈病
抗性主要分为两类!一类是全生育期抗性!另一类是
成株抗性!这
!
种抗性都已经在小麦育种项目中得
到应用全生育期抗性一般都具有生理小种专化性
并且很容易被毒性更强的生理小种克服!从而导致
短期内抗性丧失!这类抗病性既不持久也不稳定
而成株期抗性无小种专化性或专化性弱!减少了品
种对病原菌生理小种的选择压力!具有抗病性持久
并稳定的特点,#%-但是成株期抗性经常受到植株
生长阶段(气温(湿度和接菌量等因素的影响,!!#%-
若合理利用这
!
种抗病性基因!聚合不同基因!有助
于提高品种的抗性和抗谱!能够为小麦抗病育种提
供一个水平更高(抗性相对持久的抗病性,#$-迄今
为止!位于
*$
个基因位点上的
*&
个小麦抗条锈病
基因在国际上已被正式命名!均来自于普通小麦及
其野生近缘种"
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#!还有许多暂
时命名的抗性基因被发掘出来,#*)#,-其中大多数抗
性基因表现为全生育期抗性和生理小种专化性!其
抗谱窄!较易被毒性谱广的毒性小种克服,#&-由于
条锈病菌生理小种的高变异性!许多曾经在小麦生
产中发挥重要作用的抗性基因已经丧失抵抗
力,#2)#-例如条中
%!
毒性小种的出现!使携带
!"
抗性基因的小麦栽培品种和)繁
,
*的衍生品种均表
现感病!导致了
!""!
年条锈病的大流行,$-
!"*
(
!"#*
(
!"!$

!"!,
%
!"#$$!
等一些全生育期抗病
基因!对中国的条锈病流行小种条中
%!
表现抗性!
然而!
"#"
年新毒性突变株
F!,
在四川(甘肃等多
个省区出现,!"-!表现出更强的致病力!使含有
!"#$$!
的主栽品种)川麦
$!
*和其它含有
!"!,

小麦品种都失去抗性,!#-至今!仍然没有对
F!,

效的抗性资源报道出现
为创新小麦抗病遗传资源!国际玉米小麦改良
中心"
ABSSVH
#利用不同品种硬粒小麦的
1J

因组和山羊草属的
b
基因组!人工合成(创制一系
列硬粒小麦
)
粗山羊草人工合成小麦新种质!国内外
多个实验室已从上述人工合成小麦中鉴定出多个抗
性材料,#2!#)!!-本实验室从引自
ABSSVH

#"!
份硬粒小麦
)
粗山羊草人工合成小麦中!鉴定出
AB#2$
对中国的流行生理小种条中
%!
(条中
%%
(水

$
(水源
*
(水源
&

F!,
表现出成株抗性
本研究对硬粒小麦
)
粗山羊草人工合成小麦新
种质
AB#2$
中抗条锈病基因进行遗传分析和
DDE
标记分析!筛选与该基因紧密连锁的
DDE
标记!为
小麦抗条锈病育种提供新的抗性基因资源以及辅助
选择的标记
#
!
材料和方法
&+&
!
供试材料
抗条锈病的硬粒小麦
)
粗山羊草人工合成小麦
AB#2$
"系谱为
V1E
%
12
3
*4.
5
&,(&)6**$%
#由国际
!!#
西
!

!

!

!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$

玉米小麦改良中心"
ABSSVH
#提供!系从引自
AB)
SSVH

#"!
份硬粒小麦
)
粗山羊草人工合成小麦
中鉴定出来感病小麦品种)铭贤
#,
*由中国农业
科学院植物保护研究所徐世昌研究员提供
AB#2$
(
)铭贤
#,
*及其杂交种正反交
C
#
以及
AB#2$
%)铭贤
#,
*自交后代
C
!
$
%
家系均在四川和北京种植!
AB#2$
%)铭贤
#,
*
C
!
群体在四川省种植!用于对
AB#2$
中 抗 性 基 因 的 分 析
VM#*
%
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"
1[D
#(
VM!$
%
%c1[D
(
VM!,
%
%c1[D
和)川麦
$!
*
分别含有位于
#J
染色体上的
!"#*
(
!"!$
(
!"!,

!"#$$!

$
个全生育期抗性基因,#*-!这
$
种材料
用于比较
AB#2$
及其他材料的抗病程度的表现型
&+@
!
条锈病菌和条锈病接菌试验

%#
个条锈病生理小种用于
AB#2$
(
VM#*
%
,c
1[D
(
VM!$
%
%c1[D
(
VM!,
%
%c1[D
)川麦
$!
*()铭

#,
*和
1[D
的苗期接菌试验待小麦长至一叶
一心期进行接菌!并将接菌后的幼苗放置在温度为
d
"
##d
(湿度为
#""N
的露水室
!$7
!然后转移
到温度为
#$d
"
#,d
(
#,7
光照%
27
黑暗光周期
的温室&
#$
"
#*@
后!当条锈病在)铭贤
#,
*叶片上
充分发病时!按照反应型
"
"
$
划分等级反应型被
简化为
!
个等级$
"
"
!
级为抗病!
%
"
$
级为感
病,!%-
在田间成株抗性鉴定试验中!混合小种"含有条

%!
(条中
%%
(水源
$
(水源
*
(水源
&

F!,
#被用
于鉴定材料的成株抗性在三叶期!对
AB#2$
()铭

#,
*及其正反交
C
#
代以及
AB#2$
%)铭贤
#,
*的
C
!
群体(
C
!
$
%
家系进行第一次接菌!为保证条锈菌充
分接种!试验材料发病完全!
#"@
之后再进行第二
次接菌
&AB
!
CD5
提取和
778
标记分析
参照
D75M
^
等,!$-描述的基因组
bQ1
的提取方
法!提取
AB#2$
()铭贤
#,
*和
C
!
$
%
家系小麦植株的
叶片基因组
bQ1
选取
*
个高抗
C
!
$
%
家系的
bQ1
等量混合构成抗病池"
J
E
#!
*
个高感
C
!
$
%
家系的
bQ1
等量混合构成感病池"
J
D
#采用集群分离分
析"
JD1
#法和
DDE
分子标记进行多态性筛选,##!*-
根据
Ee@?M
等,!,-(
D;4?M/
等,!&-和
7YY
^
$%%
=7?5Y+
^
=+8/@5+
<
;[
%的报道!选取
**$

DDE

物"奥科公司合成#用于筛选与
AB#2$
中抗性基因连
锁的标记
!"
#
ITAE
反应体系含
!c7,
8
S5/)
Y?MS."由
7,
8
bQ1 T;6
L
4?M5/?
(
TAE J8>>?M
(
S
<
!f和
@QHT/
以及
TAE
稳定剂和增强剂组成的
预混体系#(
*
^
4;6
上下游引物和
#""0
<
模板
bQ1
!参照
X50
<
等,#2-提供的程序进行
TAE
扩增
TAE
产物经
#!N
聚丙烯酰胺凝胶电泳(银染后!统

DDE
分析结果
&+(
!
统计分析及遗传图谱构建
调查
C
!
群体的感病反应型"
.0>?:Y.;0Y
L^
?
!
BH
#

C
!
$
%
家系的最大严重度"
45\.484@./?5/?/?[?M.)
Y
L
!
SbD
#运用
DTDD
统计软件对
SbD
进行相关
和方差分析!明确表现型数据的有效性广义遗传
力公式为$
6
!
g
!
!
3
%"
!
!
3
f
!
!
3
2
%
2f
!
!
"
%
"2
#!其中!!
3
表示
基因型方差!!
3
2
表示基因和环境互作效应!!
"
表示
误差
2
表示环境的个数!
"
表示每个环境内重复的
次数根据分子标记基因型和
##$

C
!
$
%
家系的最
大严重度进行
GHI
作图通过
GHIB:.S5
^^
.0
<
软件对获得的表现型与分子标记所检测到的基因型
之间进行关联分析!确定
GHI
位点在染色体上的
位置及贡献率公式
Ihbg6;
<
#"
,
I
"
M
#%
I"
+*
#
-用
于检测
GHI
存在的可靠性!
GHIB:.S5
^^
.0
<
软件
通常所用阈值"
Ihb
值#为
!+*
,
!2
-

!
!
结果与分析
@A&
!
人工合成小麦
$%&(
条锈病抗性鉴定

%#
个条锈病生理小种对
AB#2$
(
VM#*
%
,c
1[D
(
VM!$
%
%c1[D
(
VM!,
%
%c1[D
()川麦
$!
*()铭

#,
*和
1[D
进行苗期抗病鉴定!调查其感病反应
型!结果见表
#
对上述
&
个材料对
%#
个生理小种
的感病反应型进行分析!发现人工合成小麦材料
AB#2$
和)川麦
$!
*在苗期对
F!,
表现感病!而对其

%"
个小种均表现抗病!感病对照品种)铭贤
#,
*

1[D

%#
个小种均表现感病
用条锈菌混合小种对
AB#2$
(
VM#*
%
,c1[D
(
VM!$
%
%c1[D
(
VM!,
%
%c1[D
()川麦
$!
*和)铭贤
#,
*等材料进行接菌!调查其成株期抗性!结果见表
!
分析调查结果"表
!
#发现人工合成小麦材料
AB#2$
对混合小种表现抗病!而)川麦
$!
*(
VM#*
%
,
c1[D
(
VM!$
%
%c1[D

VM!,
%
%c1[D
等材料对该
混合小种均表现感病
所有
AB#2$
和)铭贤
#,
*的正(反交
C
#
单株均
对混合小种表现为感病!
##$

C
!
植株中有
%,

抗病植株和
&2
株感病植株!说明
AB#2$
中成株期抗
性可能由隐性基因决定
@+@
!
最大严重度的分布和相关性分析
利用
DTDD
软件进行相关性分析显示!
AB#2$
%
)铭贤
#,
*的
C
!
$
%
家系在北京和四川
!
个环境下!其
SbD
的相关系数为
"+!!
!达到显著水平"
%
#
"+"*
#
%!#
&

!!!!!!!!!

!
淼!等$人工合成小麦
AB#2$
条锈病成株抗性基因的鉴定及分子标记定位

&
!
E
个小麦材料对
B&
个条锈病菌系的反应
H5_6?#
!
B0>?:Y.;0Y
L^
?/;>&=7?5Y:86Y.[5M/
%
6.0?/Y;%#M5:?/;>%())*+*,&"**
-
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^
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条锈病生理小种
T/Y./;65Y?
%
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材料
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%
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%
,c1[D VM!$
%
%c1[D VM!,
%
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川麦
$!
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成株期
F
个小麦材料对条锈病混合小种的反应
H5_6?!
!
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L^
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%
6.0?/Y;4.M5:?/;>%9&"**
-
."/*&>+/
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<
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材料
A86Y.[5M
%
6.0?
反应型
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L^
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抗性
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L
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^
Y._6?
VM!,
%
%c1[D $

D8/:?
^
Y._6?
川麦
$!A785045.$! $

D8/:?
^
Y._6?
铭贤
#,S.0
<
\.50#, $

D8/:?
^
Y._6?
此外!方差分析表明!该群体植株表现型"
SbD
#在
不同株系(不同环境及基因型与环境互作间差异均
达到极显著水平"表
%
#!条锈病最大严重度"
SbD
#
的广义遗传力为
"+&2
!说明该群体田间表现型数据
的有效性
在苗期!人工合成小麦
AB#2$
对条锈菌生理小

F!,
均表现感病!而成株期则表现抗病!表明
AB#2$
是一个典型的条锈病成株抗性小麦材料由

#
可知!
AB#2$
在所有的种植环境下其
SbD
均在
*N
左右!而)铭贤
#,
*则相对较高!在
2*N
左右
$!#
西
!

!

!

!

!

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
%$


#
显示!含有
##$
个家系的
AB#2$
%)铭贤
#,
*
C
%
群体!其
SbD
在多个环境条件下均呈现出
连续性分布!表明
AB#2$
所含成株抗性基因属于典
型的数量性状遗传

B
!
$%&(
!铭贤
&FGH
@
"
B
家系田间
最大严重度方差分析
H5_6?%
!
1056
L
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C
!
$
%
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%
S.0
<
\.50#,
变异来源
D;8M:?;>[5M.5Y.;0
自由度
:
-
均值
SD
;
基因型
R?0? ##% #!#" *+&,
""
环境
30[.M;04?0Y # $**"
!#+,&
""
重复
E?
^
6.:5Y.;0 # *$!% !*+2!
""
基因型
c
环境
R?0?c?0[.M;04?0Y ##% #%%2
,+%&
""
误差
3MM;M !!, !#"
!!
注$
""
代表
%
#
"+"#
的显著水平
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$
""
M?
^
M?/?0YY7?/.
<
0.>.:50:?6?[?65Y%
#
"+"#+

#
!
AB#2$
%铭贤
#,C
!
$
%
家系在北京和四川
!
个环境中条锈病最大严重度田间分布频率图
C.
<
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!
CM?
`
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L
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^
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"
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#
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$
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S.0
<
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-
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<
50@D.:7850
@AB
!
成株抗性
I
JK
分析
研究共选用
**$

DDE
引物用于
AB#2$
和)铭

#,
*双亲间多态性筛选其中!有
2%
对引物在
抗感两亲本间有多态性!而只有
,
对引物在抗感池
及抗感亲本间有一致的多态性!这
,
对引物均位于
#J
染色体上!分别是
K=4:,$
(
K
<
=4##
(
K_5M:#2&
(
K
<
=4#2
(
K=4:,!,

K=4:,#
用这
,
对引物检

##$

C
!
$
%
家系获取其基因型!以平均的最大严
重度和标记的基因型为作图依据!运用
GHIB:.)
S5
^^
.0
<
软件对
G
L
M+99
+
#J
进行作图"图
!
#
G
L
M+
99
+
#J
"
Ihb
$
!+*
#位于
K
<
=4#2

K=4:,!,


G
L
M+99
+
#J
解释了
#%+%,N
"四川#和
#2+"&N
"北京#成株抗性贡献率其紧密连锁标记
K
<
=4#2

K=4:,!,
进行扩增对应的电泳图如图
%
所示
@A(
!
用分子标记区分
&L
抗条锈病基因
用与
G
L
M+99
+
#J
紧密连锁的
DDE
标记
K
<
)

%
!
紧密连锁分子标记
K
<
=4#2
"
1
#和
K=4:,!,
"
J
#扩增结果
箭头为抗病目标带&
J
E
+
抗病池&
J
/
+
感病池&
T
E
+
抗病亲本
"
AB#2$
#&
T
/
+
感病亲本"铭贤
#,
#&
E+
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D+
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<
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<
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"
1
#
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K=4:,!,
"
J
#
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^
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5M?0Y
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&
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^
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%铭贤
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#
利用复合区间作图法"
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#对
AB#2$
%铭贤
#,C
!
$
%
家系进行条锈病抗性
GHI
检测&
1+
四川省&
J+
北京
C.
<
+!
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"
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#
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-
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&

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!
淼!等$人工合成小麦
AB#2$
条锈病成株抗性基因的鉴定及分子标记定位

$
!

DDE
标记
K
<
=4#2
"
1
#和
K
<
=4%%
"
J
#
分析
#J
上的抗条锈病基因
J
E
+
抗病池&
J
/
+
感病池&
T
E
+
抗病亲本"
AB#2$
#&
T
/
+
感病亲本
"铭贤
#,
#&箭头分别为
G
L
M+99
+
#J
"
1
#和
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"
J
#特异带
C.
<
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L
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J
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L
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+
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"
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#
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"
J
#
/
^
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!
M?/
^
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L
=4#2
(
K
<
=4##
(
K_5M:#2&
鉴别
G
L
M+99
+
#J

#J
染色体上其他抗条锈病基因
!"#*
(
!"!$

!"!,
%
!"#$$!
关系"图
$
!
1
#结果表明!
G
L
M+99
+
#J

异带不同于
!"#*
(
!"!$

!"!,
%
!"#$$!
用与
!"#*
紧密连锁
DDE
标记
K
<
=4%%

#J
染色体上
其他抗条锈病基因进行分析!结果如图
$
!
J
所示!
G
L
M+99
+
#J
特异带不同于
!"#*

!"!,
%
!"#$$!

这些结果也暗示
G
L
M+99
+
#J
可能不同于
#J
上的这
些已知抗条锈病基因
%
!

!

小麦条锈病菌毒性小种的变异非常迅速,!!$-
如)川麦
$!
*在四川省不仅是作为抗病品种广泛种
植!也一度被育种家们用作抗病亲本%抗源!曾在小
麦抗条锈病育种中发挥了重要作用然而!自
!"#"
年小麦条锈病菌毒性新小种
F!,
出现以来!)川麦
$!
*已对其表现感病,!"-迄今为止!尚未见关于抗
F!,
小麦材料的报道因此!抗
F!,
新毒性小种基
因的发现!对于小麦抗条锈病育种非常重要本研
究中!鉴定出一个
ABSSVH
人工合成小麦
AB#2$
!
对中国当前的流行小种条中
%!
(条中
%%
以及水源
$
(水源
*
(水源
&

F!,
表现成株抗性利用
JD1
法(
DDE
标记在
AB#2$
%)铭贤
#,
*的
C
%
群体进行作
图分析!鉴定出
#

GHI
位点
G
L
M+99
+
#J
!并定位

#J
染色体
DDE
标记
K
<
=4#2

K=4:,!,


G
L
M+99
+
#J
可解释
AB#2$

#%+%,N
"四川#和
#2+"&N
"北京#的贡献率
AB#2$
的成株抗性位点
可能会在小麦抗条锈病育种中发挥重要的作用
利用
JD1
法检测与抗病基因紧密连锁的分子
标记!构建抗(感池的后代株系数目不可太多!一般
*
"
#"
个最佳!若是选用的株系数目过多!分子标记
在抗(感池间多态性太低!抗病基因较易丢失&若是
选用的株系数目过少!工作量将会加大!达不到对目
标基因的筛选,#%-本研究在
C
!
代分别选用
#"

极抗和极感植株构建抗(感池!仅检测到一个抗性位
点故此!在
C
%
代分别选用
*
个极抗和极感株系构
建抗(感池!且同时构建
!
个抗(感池!仍然仅检测到
一个抗性位点!且该位点的遗传贡献率均小于
!"N
这可能是由于筛选的引物数量还不够多!其
它可能存在的微效
GHI
位点丢失!还有待于进一
步筛选确认
研究表明!成株抗性一般是非小种专化性的!由
一个或几个基因控制,!!##-而且!成株抗性往往表
现出更持久的抗性!其抗性经常在挑旗期才开始表
达!这一时期正是小麦产量积累的重要阶段!有利于
小麦产量的稳定因此!相对于苗期抗性!成株抗性
在应用方面具有更高的利用价值由于四川省是中
国条锈病发生和流行很重要的区域!因此!本研究选
取混合小种对
AB#2$
()铭贤
#,
*及其正反交
C
#
代(
AB#2$
%)铭贤
#,
*
C
!
群体和
C
!
$
%
家系!同时在四川
和北京
!
点的大田进行成株抗性鉴定!其中
C
!
仅种
植于四川遗传分析发现!
AB#2$
和)铭贤
#,
*的
正(反交
C
#
单株均对包含条中
%!
(条中
%%
(水源
$
(
水源
*
(水源
&

F!,
的混合小种表现为感病!
##$

C
!
植株共有
%,
株抗病植株和
&2
株感病植株!说

AB#2$
的成株抗性可能由一个隐性位点
G
L
M+99
+
#J
控制因该位点与
!"#*
(
!"!$

!"!,
%
!"#$$!
都位于
#J
染色体上!且位置比较接近!本实验用
G
L
M+99
+
#J

%

DDE
标记和
!"#*

#

DDE

记对
#J
染色体上的抗条锈病基因进行鉴别!结果
表明!
G
L
M+99
+
#J
的抗病特异带型不同于
!"#*
(
!"!$

!"!,
%
!"#$$!
!这个结果暗示
G
L
M+99
+
#J
可能不同于这些
#JD
上已知的抗条锈病基因但
是!更精确的结论还需后续实验验证
参考文献"
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