全 文 ：植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA摇 41(5): 509鄄515(2011)
收稿日期: 2010鄄10鄄18; 修回日期: 2011鄄06鄄21
基金项目: 湖南省教育厅资助科研项目(06A029) ; 公益性行业(农业)科研专项(200803008); NSFC 项目 (30871335)
通讯作者: 王国梁,教授,主要从事作物抗病遗传,遗传育种和生物技术研究;Tel: 0731鄄84638424; E鄄mail: wang. 620@osu. edu
刘二明,教授,主要从事植物病理学与农业微生物学研究;Tel:13607431942; E鄄mail: emliu08@126. com
第一作者: 黄红梅(1978),女,江西新余人,博士研究生,主要从事作物抗病遗传研究;E鄄mail:hhm7418@163. com。
湘资 3150 微效抗瘟性基因鉴定
黄红梅1,2, 肖应辉3, 黄 玲3, 奉光平1, 燕玮婷1
戴良英1, 王国梁3*, 刘二明1*
( 1 湖南农业大学生物安全科学技术学院, 长沙 410128;2 湖南农业大学生物科学技术学院,
长沙 410128;3 湖南农业大学农学院, 长沙 410128)
摘要: 以湘资 3150 和 CO39 为亲本建立 F10重组自交系群体为材料, 在桃江病圃应用自然诱发接种法对群体的田间叶瘟抗
性表现进行了分析。 结果表明, 在 LOD 2. 5 的域值上,共检测到 14 个有效的微效基因 QTL位点(LOD值均大于 2. 5),分
别位于水稻第 3、8 和 10 染色体上,其表型变异贡献值差异比较大,介于 11. 78% ~ 40. 57%之间;表明可能控制不同抗性表
型的 QTL紧密连锁或者同一个 QTL对不同的抗性表型均具有抗性贡献。
关键词: 水稻; 稻瘟病菌; 湘资 3150; 微效基因
Identification of minor genes for rice blast resistance in Xiangzi 3150 摇 HUANG
Hong鄄mei1,2, XIAO Ying鄄hui3, HUANG Ling3, FENG Guang鄄ping1, YAN Wei鄄ting1, DAI Liang鄄ying1,
WANG Guo鄄liang3, LIU Er鄄ming1 摇 ( 1College of Bio鄄Safety Science and Technology, Hunan Agricultural University,
Changsha 410128, China; 2College of Bioscience and Biotechnology Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China;
3College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128,China )
Abstract: A total of 286 recombinant inbred lines (RILs) and their parents, CO39 and Xiangzi 3150, were
inoculated with Magnaporthe oryzae by natural inoculation for evaluation of rice field leaf鄄blast resistance in
the blast nursery at Taojiang county. The results showed that 14 QTLs were detected in the regions exceeding
2. 5 LOD. These QTLs were mapped on chromosome 3, 8 and 10 respectively; accounting for 11. 78% -
40郾 57% of the phenotypic variance. QTLs responsible for different field resistance traits were tightly linked
each other, or the individual putative QTL contributed simultaneously to different field resistance traits vari鄄
ation.
Key words: rice (Oryza sativa L. ); Magnaporthe oryzae; Xiangzi 3150; minor gene
中图分类号: S432. 23摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码: A摇 摇 摇 摇 摇 文章编号: 0412鄄0914(2011)05鄄0509鄄07
摇 摇 由稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae) [1]引起的稻
瘟病是世界各国水稻产区危害最严重的病害之一。
实践证明,培育和利用抗病品种是防治稻瘟病最经
济有效的方法[2]。 由于稻瘟病菌生理小种组成复
杂,致病性变异频繁,抗病品种往往大面积推广种
植 3 ~ 5 年后就变为感病品种[3]。 因此,不断发掘
新的抗性资源、鉴定新的抗稻瘟病基因,尤其是从
地方品种中发掘具有持久抗性的资源、鉴定和克隆
持久抗性基因对水稻抗稻瘟病育种具有十分重要
的意义。
水稻抗稻瘟病基因分为主效抗性基因和微效
抗性基因,微效基因与主效基因相结合,对维持水
摇
植物病理学报 41 卷
稻品种的持久抗性具有重要作用。 国际公认的持
久抗稻瘟病粳稻品种 Moroberekan 在西非大面积
种植多年仍然具有很好的抗性[4],其持久抗性基
础表现为具有多对主效和微效抗性基因[5]。 微效
基因抗性受多基因控制,且易受环境条件影响,在
杂交后代中不易鉴别,但微效基因抗性能够减少病
斑数量,控制病斑大小,减缓病情扩展,抗性水平不
高却稳定。 微效基因抗性对水稻持久抗稻瘟病育
种具有特殊意义。
籼稻湘资 3150 是湖南地方品种,经从 38 000
份国内外栽培品种、野生稻等资源中,经全国稻瘟
病圃抗性鉴定及原产地考证,优选而来的材料,并
自 1990 ~ 1994 年,分别在 6 个不同纬度的病圃同
步进行抗性鉴定,总共经历了 22 年在 68 个病圃抗
性试验,结果表明,湘资 3150 的平均发病级数为
1. 245,在吉、浙、湘、闽、粤、琼等地的抗菌频率均在
94%以上[6]。 因此,湘资 3150 具有抗至中抗稻瘟
病,抗谱广,抗性稳定、持久等特点,是良好的抗源
品种。 我们利用湘资 3150 和 CO39 杂交构建了一
个重组自交系群体来研究湘资 3150 的田间稻瘟病
抗性,以期初步鉴定和定位湘资 3150 中的微效抗
性基因。
1摇 材料与方法
1. 1摇 菌株
试验所用稻瘟病菌来自湖南省桃江县梅水洞
村国家稻瘟病抗性鉴定病圃的感病水稻秸秆,在试
验前一年采集,并在低温干燥条件下保存备用。 其
成分为天然混合菌株,其中以 ZB 群为优势种群,
致病力强。
1. 2摇 水稻品种
亲本湘资 3150 和 CO39,稻瘟病诱发品种湘矮
早 7 号,湘晚籼 11 号,CO39 与湘资 3150 杂交形成
的 F10代重组自交株系(F10RIL)286 个。 CO39 是
源自于国际水稻研究所的普感籼稻品种。
1. 3摇 田间育苗
此部分试验在湖南省桃江县高桥镇梅水洞村
(国家稻瘟病抗性鉴定基地)进行,此地处湘北,东
经 112毅03忆北纬 28毅22忆,海拔 320m,该试验基地四
面环山,山脉南北走向,东遮日出,西挡夕阳,日照
时间少,直射阳光每天不足 6~ 7 h,昼夜温差大,水
稻叶片结露时间 12~ 14 h以上,具有稻瘟病发生的
极好环境条件。 在该病圃进行抗源鉴定、筛选与评
价研究,具有经济、实用、准确、代表性强等优势。
将供试的 286 个 F10RIL株系和亲本湘资 3150
和 CO39 播种在 2 厢苗床上,每株系播 30 粒种子,
在每两行株系之间播种一定量的稻瘟病诱发品种
湘矮早 7 号,湘晚籼 11 号水稻种子。 同时,每一厢
苗床的两端也播种一定量的稻瘟病诱发品种。 试
验采用完全随机区组设计,3 次重复。
1. 4摇 田间接种
待水稻幼苗长至 2 叶期,将上一年保存有稻瘟
病菌的水稻秸秆切成小段,经过室内保温保湿后作
为接种源,撒放在稻瘟病诱发品种中,诱使供试品
种和诱发品种发病[5 ,7]。
1. 5摇 田间抗性调查
在播种一个月后,当感病诱发品种发病 8 ~ 9
级,且苗叶瘟病情稳定后,进行取样。 取样方法为:
每个重复每株系取 5 株苗,带回室内进行病情调
查。 调查方法为每棵苗调查 3 个发病最严重的叶
片,调查指标为田间发病级别(FS, field scale)、感
病病斑数量 ( LN, lesion number )、 病叶面积
(DLA, disease leaf area )、 病 叶 面 积 百 分 率
(DLA% )、病斑大小(LS, lesion size)。 田间发病
级别、病斑数量和叶片面积(叶面积测定仪,ADC
AM300, BioScientific Ltd. ) 为直接测定数据,
DLA%的调查方法参照 Notteghem 等的方法[8]
(图 1),再根据 LS =叶片面积 伊 DLA% 衣 LN,计
算病斑大小。
1. 6摇 数据分析
将调查数据输入电脑,并对每株系的 5 株苗各
项指标进行平均数统计,统计之后的数据再进行重
复间的方差分析,作为表型数据,与 F10RIL 群体株
系的基因型数据 (未发表资料) 结合统一,用
MAPMAKER / EXP 3. 0 软件[9]和 WinQTLcart 2. 0
软件[10]进行分析。
015
摇
摇 4 期 摇 摇 黄红梅,等:湘资 3150 微效抗瘟性基因鉴定
Fig. 1摇 Scale for measurement of diseased leaf area % ( from Notteghem)
2摇 结果与分析
2. 1摇 3 个试验重复数据的方差分析
利用 SPSS软件,对 3 个重复试验中各个指标
的数据进行方差统计分析(表 1),所有指标在重复
2 与重复 3 间差异不显著,在重复 1 与重复 3 的比
较中,指标 LN、DLA、DLA%之间差异显著,相伴
概率小于 0. 05。 重复 1 与重复 2 间的差异显著水
平低于重复 2 与重复 3 间的差异显著水平,说明重
复 2 和重复 3 的试验重复效果较好。 因此,作图数
据采用重复 2 和重复 3 的平均值。
2. 2摇 湘资 3150 微效抗性基因鉴定
为了屏蔽主效抗性基因的抗性效应,将田间表
现感病(即田间病级大于等于 4 级)的 49 个株系
筛选出来,以 49 个株系的田间表型数据(FS、LN、
DLA、DLA% 、 LS)和基因型数据进行复合区间作
图,以单独分析微效抗性基因对湘资 3150 抗性的
贡献大小,并寻找田间抗性指标的 QTL 位点,作图
结果显示(表 2):在 LOD2. 5 的域值上,共检测到
14 个有效 QTL位点(LOD值均大于 2. 5),分别位
于水稻第 3、8 和 10 染色体上(图 2),各染色体分
别具有 4、5、5 个基因座,所有基因座分布比较
集中。
Table 1 摇 The ANOVA analysis of test data
from three replications
Combination
with repetitions
FS LN DLA DLA% LS
1鄄2 0. 53 0. 15 0. 10 0. 06 0. 39
1鄄3 0. 66 0. 02* 0. 03* 0. 04* 0. 09
2鄄3 0. 85 0. 35 0. 63 0. 90 0. 39
* Stands for significant at the 0. 05 level.
摇 摇 控制田间表型 FS、LN、DLA、DLA% 、LS 的基
因座数目分别为 3、2、3、3、3 个。 通过比较 QTL 在
染色体上的位置,发现几个不同表型的抗性基因座
115
摇
植物病理学报 41 卷
Table 2摇 The minor resistance gene loci detected in Xiangzi 3150
QTL site Chromosome Linked marker Interval / cM LOD value
Contribution ratio on the
phenotypic variation / %
FSQTL1 8 RM1270 - RM310 23. 3 3. 7 16. 07
FSQTL2 10 SFP10鄄2 - RM216 28. 9 5. 01 36. 29
FSQTL3 10 RM5373 - RM6745 13. 1 3. 52 14. 56
LNQTL1 8 RM1270 - RM310 23. 3 3. 79 17. 95
LNQTL2 10 SFP10鄄2 - RM216 28. 9 4. 87 40. 57
DLAQTL1 3 RM85 - RM6484 13. 8 3. 53 17. 73
DLAQTL2 8 RM1270 - RM310 23. 3 3. 69 16. 09
DLAQTL3 10 SFP10鄄2 - RM216 28. 9 2. 52 16. 21
DLA%QTL1 3 RM3346 - RM85 19. 6 3. 65 32. 77
DLA%QTL2 3 RM85 - RM6484 13. 8 3. 64 23. 81
DLA%QTL3 8 RM1270 - RM310 23. 3 3. 19 14. 39
LSQTL1 3 RM85 - RM6484 13. 8 2. 47 11. 78
LSQTL2 8 RM1270 - RM310 23. 3 4. 21 17. 78
LSQTL3 10 SFP10鄄2 - RM216 28. 9 5. 14 28. 75
存在于同一区段上,甚至是同一对分子标记之间,
表明可能控制不同的抗性表型的 QTL具有紧密连
锁关系或者同一个 QTL对不同的抗性表型均具有
抗性贡献。 涉及所有表型的 FSQTL1、 LNQTL1、
DLAQTL2、DLA% QTL3 和 LSQTL2 位点位于第 8
染色体的同一对分子标记 RM1270 ~ RM310 之间,
再一次说明此位点可能是抗性较大、较稳定的基因
位点;FSQTL2、LNQTL2、DLAQTL3 和 LSQTL3 位
于第 10 染色体同一对分子标记 SFP10鄄2 ~ RM216
之间,DLAQTL1、DLA% QTL2 和 LSQTL1 位于第 3
染色体同一对分子标记 RM85 ~ RM6484 之间;
FSQTL3 位于第 10 染色体 RM5373 ~ RM6745 之
间,DLA%QTL1 位于第 3 染色体 RM3346 ~ RM85
之间。 上述结果也说明田间表型 FS、LN、DLA、
DLA% 、LS 5 个表型的相关性比较强。
2. 3摇 湘资 3150 微效抗性基因的抗性效应
鉴定的 14 个 QTL位点,其表型变异贡献值差
异比较大,介于 11. 78%到 40. 57%之间,其中位于
分子标记 SFP10鄄2 ~ RM216 之间的 QTL 位点对表
型 LN、FS、LS变异的贡献值较大,分别为 40. 57% 、
36. 26%和 28. 75% 。 其次为 DLA% QTL1、 DLA%
QTL2 位点,贡献值分别为 32. 77% 、23. 81% ,呈现
类似主效基因的作用方式。 其余位点贡献值为
11% ~ 18%不等。 表明不同的 QTL 位点抗性效应
不一样。
3摇 讨论
3. 1摇 湘资 3150 微效抗性基因在染色体上的分布
以往的许多研究表明,植物基因组中的抗性基
因常常呈簇状存在,一些表现部分抗性的数量性状
基因座也常常定位在簇状抗性基因群的附近,Xu
等[11]数量性状 QTL 分析表明,利用 19 个稻瘟病
菌系共鉴定出 124 个 QTL,多数集中位于如第 1、
2、8、10 和 12 染色体。 本研究的结果也证明了这
一结论,鉴定的 14 个 QTL,或多或少的聚集在染
色体的特定区段,如第 3、8、10 染色体。 Wang
等[5]通过 RFLP标记技术在第 3、8 染色体上鉴定
了控制 Moroberekan病斑数量(LN)和发病叶面积
百分率(DLA% )的有关 QTL。 本研究中 DLA%
QTL1、DLA% QTL2 等 QTL 位于第 3 染色体,LN鄄
QTL1、DLA% QTL3 位于第 8 染色体,这些在同一
条染色体上出现的 QTL,可能是相互连锁的位点,
也可能是同一个抗性基因的作用结果。 由于已知
抗性基因位点的定位方法和分子标记类型不同,使
得本研究结果难以与已定位的基因进行比较。 这
些结果表明,抗性基因的数目虽多但是有限,通过
标记辅助选择(Marker assisted selection)可以有效
地应用于抗性育种中。
此外,研究发现水稻其他抗病基因如 4 个水稻
抗白叶枯病基因:xa3、xa4、xa26、xa22 经常与抗稻
瘟病基因一起构成了一个复合抗病基因座[12 ~ 15]。
215
摇
摇 4 期 摇 摇 黄红梅,等:湘资 3150 微效抗瘟性基因鉴定
Fig. 2摇 Location of the minor gene loci conferring resistance to rice blast in rice chromosomes
315
摇
植物病理学报 41 卷
水稻第 3、8 染色体上也存在多个水稻抗白叶枯病
基因[16,17],这些基因与抗稻瘟病基因共同构成了
水稻抗源品种的综合多抗性品质。
3. 2摇 微效基因抗性与环境因素
微效基因抗性是多个基因共同作用的结果,同
时对环境因素的变化很敏感,因此,微效基因的抗
性遗传分析需要准确的评价和筛选方法。 准确的
评价和筛选方法包括以下方面:一是多次重复田间
试验,使得微效基因的抗性效应得以充分发挥,减
少环境因素带来的试验误差。 二是田间接种试验
中,应进行多次循环接种。 三是评价的表型应该是
可以直接测定的表型,以减少调查者主观因素的影
响。 本试验中 LN、FS、DLA% 等表型的 QTL 的
LOD值较高,可能是因为该表型的评价值可以直
接测定,数据较为准确。 四是作图群体应该选用永
久性分离群体,如 RIL、双单倍体(double haploid,
DH)群体,以保证可以进行重复试验。 本试验选用
CO39 与湘资 3150 杂交形成的 F10代重组自交系,
是较稳定的作图群体。 五是作图株系应选用感病
株系。 因为在田间抗性中,主效基因可以掩盖微效
基因的抗性效应。
3. 3摇 微效基因与稻瘟病持久抗性育种
湘资 3150 抗瘟表型与基因型的同步研究综合
评价,验证了该品种的持久抗瘟性由主效基因抗性
(未发表资料)和微效基因抗性共同构成的。 从本
研究结果以及近期国外对稻瘟病持久抗性品种
Moroberekan[5]和谷梅 2 号[18]的抗性遗传分析结
果可知,这些持久抗性品种的稻瘟病抗性都是由广
谱的主效基因抗性和稳定的微效基因抗性组成的,
而分别由多个主效基因和多个微效基因座位控制
的。 从这些特点来看,稻瘟病菌株不容易同时克服
多个抗性基因。 一旦某些主效抗性基因抗性被克
服,这些品种高水平的数量抗性可以起到协调、抑
制以及延缓发病进程。 因此,广谱的主效基因和稳
定的微效基因的结合,使这些品种在抗病反应中构
筑起抗侵入和抗扩展的两道屏障,从而获得稳定的
稻瘟病抗性。
从主效基因和微效基因座位的这些特点看,应
用常规的方法进行稻瘟病持久抗性育种是困难的。
育种中往往只利用了个别主效基因,这种小种专一
性的主效基因抗性容易被变异的致病小种克服。
历经多年的研究实践说明,湘资 3150 是稻瘟病持
久抗性品种, 而且其抗病性有较高的遗传力, 在
杂种一代表现显性。 与国际上鉴定出的稻瘟病持
久抗性品种相比,它不单具有持久抗病性, 而且发
现部分优良农艺性状,在育种中有较好的应用潜
力。 本研究将继续对湘资 3150 微效抗性基因进行
深入研究,缩短其定位距离。 由于试验群体的 2 个
亲本同属于籼稻, 其基因组差异性较小,目前为止
所使用的分子标记难以满足精确定位的要求。 因
此, 我们计划在下一步工作中, 重点应用多态性
检测能力较强的分子标记,来解决这一问题。
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责任编辑:曾晓葳
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