全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2015, 41(6): 872880 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn
本研究由国家自然科学基金项目(31171545), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-1)和中国农业科学院创新团队项目资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 李洪杰, Email: lihongjie@caas.cn
第一作者联系方式: E-mail: sunxiying90@163.com
Received(收稿日期): 2015-01-16; Accepted(接受日期): 2015-04-02; Published online(网络出版日期): 2015-04-14.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20150414.1637.007.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2015.00872
抗禾谷孢囊线虫小麦新种质 H3714和 H4058的培育与鉴定
孙喜营 1,2 崔 磊 2,3 孙 蕾 2 孙艳玲 2 邱 丹 1,2 邹景伟 1,2
武小菲 2 王晓鸣 2 李洪杰 2,*
1 河北科技师范学院生命科技学院, 河北秦皇岛 066604; 2 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, 北京 100081; 3 山西省农业科学院作物科学研究所, 山西太原 030031
摘 要: 在我国小麦主产区均有禾谷孢囊线虫(CCN, Heterodera spp.)发生。限于有效抗源的严重匮乏, 抗 CCN育种
研究一直难以规模化开展。Madsen是一个抗孢囊线虫的美国冬小麦品种, 但抽穗偏晚使其很难在育种上迅速利用。
本研究利用中国小麦品种烟农 21和济麦 19与 Madsen杂交和回交, 从 BC1F4代中选育出稳定品系 H3714和 H4058。
田间病圃和温室接种鉴定结果表明, 这 2个品系对河南省 H. avenae荥阳群体(致病型 Ha43)和 H. filipjevi许昌群体(致
病型 Hfc-1)的抗性显著优于烟农 21和济麦 19。在接种条件下, 两个品系表现成株期白粉病抗性, H4058苗期还可抗
不同白粉菌菌株。2个品系的抽穗期与烟农 21和济麦 19相似, 明显早于 Madsen。利用偏凸山羊草 2NS染色体特异
分子标记 VENTRIUP-LN2及该染色体上 Vrga1D基因特异分子标记 Vlr2.6-3′-Vlr2.4-5′和 VRGA-F11-VRGA-R5分析,
发现 H3714和 H4058含有偏凸山羊草 2NS染色体片段, 且该染色体片段来自 Madsen。根据 Illumina iSelect 90K SNP
分析结果, 两个品系的染色体构成存在差异。在检测到两个品系共有的 4918 个多态性 SNP中, 2/3的 SNP位点在 2
个姊妹系间表现相同, 另外 1/3的 SNP位点表现不同。本研究培育的抗禾谷孢囊线虫小麦新种质 H3714和 H4058可
作为培育抗线虫小麦品种的抗源。
关键词: 小麦; 孢囊线虫; 白粉病; 抗病性
Development and Identification of Wheat Lines H3714 and H4058 Resistant to
Cereal Cyst Nematode
SUN Xi-Ying1,2, CUI Lei2,3, SUN Lei2, SUN Yan-Ling2, QIU Dan1,2, ZOU Jing-Wei1,2, WU Xiao-Fei2,
WANG Xiao-Ming2, and LI Hong-Jie2,*
1 College of Life Science and Technology, Hebei Normal University of Science and Technology, Qinhuangdao 066004, China; 2 National Key Facility
for Crop Gene Resources and Genetic Improvement / Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
3 Institute of Crop Science, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China
Abstract: Cereal cyst nematode (CCN, Heterodera spp.) has occurred in major wheat (Triticum aestivum L.) producing regions in
China. Developing wheat cultivars resistant to CCN is limited due to the shortage of effective sources of resistance. Madsen, a
winter wheat cultivar released in the Pacific Northwest Region of the USA, is highly resistant to CCN populations from China.
However, it is difficult to use this cultivar in breeding programs because of its late heading and maturity. In the present study,
Chinese winter wheat cultivars Yannong 21 and Jimai 19 were crossed and backcrossed to Madsen, and lines H3714 and H4058
were developed from BC1F4 progenies. Tests under both natural infestation and artificial inoculation conditions indicated that
resistance of H3714 and H4058 to the H. avenae Xingyang population (pathotype Ha43) and the H. filipjevi Xuchang population
(pathotype Hfc-1) from Henan province was superior to that of Yannong 21 and Jimai 19. Results of the field test inoculated with
a mixture of Bgt isolates demonstrated that both lines showed adult plant resistance to powdery mildew, and line H4058 was also
resistant to different Bgt isolates at the seedling stage. The heading date of these lines was comparable to that of Yannong 21 and
Jimai 19, and obviously earlier than that of Madsen. The fragments of chromosome 2NS from Aegilops ventricosa were detected
in lines H3714 and H4058 using a pair of chromosome-specific primers VENTRIUP-LN2 and the molecular markers
第 6期 孙喜营等: 抗禾谷孢囊线虫小麦新种质 H3714和 H4058的培育与鉴定 873
Vlr2.6-3′-Vlr2.4-5′ and VRGA-F11-VRGA-R5 that were specific for Vrga1D gene from Ae. ventricosa. Results of Illumina iSe-
lect 90K SNP assay showed that the two lines differed in their chromosome constitutions. Two thirds of the polymorphic SNPs
were identical and the remaining ones were different among 4918 polymorphic SNPs between the two sib lines. The newly de-
veloped wheat lines H3714 and H4058 can be used as sources of resistance in developing CCN-resistant wheat cultivars.
Keywords: Triticum aestivum; Cereal cyst nematode; Powdery mildew; Resistance
禾谷孢囊线虫(cereal cyst nematode, CCN)在我
国 16个省、市、自治区发生, 成为威胁我国冬小麦
和春小麦生产的一个重要土传病原物[1-2]。造成 CCN
快速扩展可能的原因, 一是我国冬小麦主产区小麦–
玉米–小麦轮作或春麦区小麦连作的种植模式有利
于病原线虫的生存; 二是当前绝大多数生产品种对
线虫侵染敏感 , 有利于线虫群体的繁殖 ; 三是规模
化播种、田间管理和收获机械携带土壤, 可能造成病
原线虫的远距离传播 [3]。在我国 , 禾谷孢囊线虫
(Heterodera avenae Wollenweber, 1924)的发生比菲
利普孢囊线虫[H. filipjevi (Madzhidov, 1981) Stelter,
1984]更加普遍, 后者只在河南、宁夏、青海等个别
地点发生(彭德良, 私人通讯)。
CCN通过危害小麦根系而影响植株吸收土壤中
的养分, 进而阻碍植株生长, 造成减产。当前, 绝大
多数推广小麦品种均不抗 CNN 的侵染[4-7], 只有太
空 6 号、中育 6 号、华麦 1 号等个别品种表现一定
程度的抗性[8-10]。尽管 CCN的危害已经广为人知, 但
是小麦抗线虫育种却很难开展起来, 主要原因是有
效抗源十分匮乏。绝大多数已知抗 CCN基因对我国
的线虫致病型没有抗性。Cre1、Cre2、Cre3、Cre7
和 Cre8 等抗线虫基因对河南 H. filipjevi 群体敏感,
只有 CreR基因具有抗性[11]。近期通过对不同来源的
小麦种质资源的抗 CCN鉴定, 在国外引进的小麦种
质、合成小麦、硬粒小麦和小麦–野生近缘种后代等
材料中发现一些抗性资源 [11-14], 这些抗性资源需要
经过改良 , 使之适合当地的生态条件 , 才能被有效
地利用。
Madsen 是美国太平洋西北地区推广多年的一
个冬小麦品种 [15]。我们经过多年的鉴定 , 发现
Madsen 对我国的禾谷孢囊线虫具有良好的抗性[4]。
虽然Madsen在美国生产上产量表现优异, 并且抗病
性好, 但是由于中、美生态条件的差异, 该品种在我
国黄淮冬麦区和北部冬麦区的抽穗期比当地栽培品
种晚 2 周左右, 因此其优异的线虫抗性难以直接利
用, 必须经过遗传改良, 才能在我国小麦抗 CCN 育
种上发挥作用。
采用 Madsen 与我国推广小麦品种杂交、回交
和连续自交的方法, 已经培育出一大批高代稳定的
小麦种质。本研究的目的是通过田间病圃和温室接
种抗性鉴定, 分析 2个稳定种质 H3714和 H4058对
CCN的抗性反应。CCN危害严重的小麦生产区, 特
别是黄淮冬麦区 , 往往是白粉病 (病原菌为
Blumeria graminis f. sp. tritici) 流行的地区, 本研
究还采用人工接种方法鉴定 H3714 和 H4058 对白
粉病的反应。由于 Madsen 是小麦–偏凸山羊草
(Aegilops ventricosa) 2NS-2AS易位系[16], 采用 2NS
的特异分子标记分析 H3714 和 H4058 是否携带该
易位染色体 ; 另外 , 采用 Illumina 90K iSelect SNP
芯片技术 [17], 分析和比较 H3714 和 H4058 的遗传
构成。
1 材料与方法
1.1 供试材料
Madsen 的系谱是 VPM1/‘Moisson’ 951/2*‘Hill-
81’ [15]。烟农 21 (系谱为烟 1933/陕 82-29)和济麦 19
(系谱为鲁麦 13/临汾 5064)是通过国家品种审定委员
会审定的冬小麦品种, 对 CCN敏感[4]。利用 Madsen
与烟农 21杂交, 再用济麦 19回交 1次, 然后自交 4
代, 从 BC1F4 代中选育出抽穗期与我国小麦推广品
种相似的品系 H3714和 H4058。小麦品种温麦19和
中作 9504 分别作为孢囊线虫和白粉病抗性鉴定的
感病对照品种。VPM1 的系谱是 Ae. ventricosa/T.
persicum//3*Marne, Ae. ventricosa#10是 VPM1的偏
凸山羊草亲本[18]。
1.2 CCN抗性鉴定
1.2.1 田间病圃鉴定 2013—2014 年生长季, 分
别在河南省荥阳市(H. avenae致病型 Ha43)[19]和许昌
市(H. filipjevi致病型 Hfc-1)[20]小麦田设置病圃。按
照随机区组设计排列小麦材料, 3 行区, 行长 1 m,
每行播种 30 粒, 3 次重复。2013 年 10 月中旬播种,
2014年 5月中旬小麦灌浆期, 从每个小区调查 10株
根系上的孢囊数, 单株孢囊<5 个为抗病, 5~10 个为
中抗, 11~14个为中感, 15~25个为感病, >25个为高
感[21]。
1.2.2 温室接种鉴定 在河南省荥阳市试点收集
874 作 物 学 报 第 41卷
病土 , 在解剖镜下挑取孢囊 , 将其轻轻压破 , 令释
放的虫卵悬浮于蒸馏水中, 在冰箱(4℃)内放置 10周,
然后在 15 ± 2℃培养箱黑暗条件下孵化 30 d, 用蒸
馏水调节二龄幼虫(J2)悬浮液至 200 条 mL–1, 用于
接种不同基因型小麦。将干燥的土、沙在 180℃下
灭菌 2 h, 按 7︰3 (w/w)比例混匀, 装入 PVC管(直径
30 mm, 高 130 mm), 每管装 94.5 g混合土。小麦种
子经 2% NaClO 消毒, 在恒温培养箱(25℃)中催芽
2~3 d, 选取生长势相近的种子移入 PVC管内, 每管
种植 1 株, 将 J2悬浮液滴加到 PVC 管中, 每株接虫
600条。每个小麦材料设 3次重复, 每个重复 2株。
接种的植株在 15~20℃培养箱中(12 h光照/12 h黑暗)
生长, 75 d后调查根系上形成的孢囊数目。实验进行
2次。参照 Nicol等[21]的方法进行抗性分级。
1.3 白粉病抗性鉴定
采用白粉菌菌株 E09、E11、E20和 E21进行苗
期抗白粉病鉴定, 用中作 9504 幼苗保持和繁殖菌
种。将小麦材料播种于 50 孔(5×10)的育种盘中, 每
孔(5 cm × 5 cm) 10粒。植株第 1片叶完全展开时, 用
扫拂法接种, 保湿 24 h, 然后在 18~20℃条件下生
长。当感病对照品种中作 9504充分发病时, 采用 0~4
级标准调查第 1 叶片的反应型, 0~2 为抗病反应型,
3~4为感病反应型[22]。
2013—2014 年生长季, 在中国农业科学院作物
科学研究所北京昌平试验站进行白粉病成株期抗性
鉴定[22], 中作 9504 作为感病对照和接种行。2014
年 3 月小麦返青时接种混合菌株 , 菌株毒力型为
V1、V3a、V3b、V3c、V3d、V3e、V3f、V4a、V4b、
V5、V6、V7、V8、V17、V19、V25和 V35 (周益林, 私
人通讯)。2014年 5月下旬小麦乳熟期, 采用 0~9级
标准调查病害严重度, 抗病反应型分为免疫(0 级)、
高抗(1~2级)、中抗(3~4级)、中感(5~6级)和高感(7~9
级), 同时记录植株倒 2叶最大病害严重度。
1.4 偏凸山羊草 2NS染色体片段的检测
根据大麦 cDNA MWG682序列设计的分子标记
VENTRIUP-LN2 (VENTRIUP: 5′-AGGGGCTACTGA
CCAAGGCT-3′; LN2: 5′-TGCAGCTACAGCAGTAT
GTACACAAAA-3′), 可特异扩增 Xcmwg682 基因座
偏凸山羊草 2NS 染色体特异等位基因, 片段大小为
262 bp [16]。Vrga1D基因是从 VPM1的供体偏凸山羊
草克隆的一个 NBS-LRR 抗病基因 [23]。Vlr2.6-3′-
Vlr2.4-5′标记 (Vlr2.6-3′: 5′-TCTGTATTCTCCTTGG
GTAC-3′; Vlr2.4-5′: 5′-TTTTCACCTGCTTGCAGCA
C-3′)扩增 Vrga1D基因 LRR和 3′非转录区的 886 bp
片段[24]。VRGA-F11-VRGA-R5 (VRGA-F11: 5′-AAT
CCAAAGGTCAGCAATCC-3′; VRGA-R5: 5′-GGA
ATCCAGGTCCTTGAGGAAC-3′)是扩增 Vrga1 基因
285 bp片段的引物[25]。这 2个 Vrga1D基因的特异分
子标记可以检测 2NS染色体片段。PCR体系为 25 μL,
包括 50 ng模板 DNA, 0.2 μmol L–1引物, 150 μmol
L–1 dNTPs, 10×缓冲液和 1 U Taq酶。参照 Helguera
等[16]、Seah等[24]和 Fang等[25]的报道进行 DNA扩增,
用 2% 琼 脂 糖 凝 胶 电 泳 (Vlr2.6-3′-Vlr2.4-5′ 和
VENTRIUP-LN2)或 8%聚丙烯酰胺凝胶电泳(VRGA-
F11-VRGA- R5)检测 PCR扩增产物。
1.5 抗 CNN品系的 SNP基因型分析
利用 Illumina 90K iSelect SNP 芯片分析技术,
对 H3714和 H4058及其亲本进行全基因组扫描, 通
过 Clustering Module version 1.0进行 SNP分型[17]。
根据 H3714和 H4058与其亲本的 SNP类型, 将 SNP
分型数据分别记为 A (Madsen)、B (烟农 21+济麦 19)
和 C (H3714和 H4058特有)。参照 Wang等[17]构建
的 SNP 图谱确定 SNP 在染色体上的位置, 采用
GGT2.0 [26]分析 H3714和 H4058染色体的遗传构成,
绘制 2个材料的遗传图谱。
1.6 统计分析
对单株孢囊数进行方差分析时 , 首先进行 lg
(x+1)转换[27]。采用 Fisher’s LSD法确定品种之间的
差异显著性(P < 0.05)。采用 SAS统计软件(Version 8,
SAS Institute)进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 CCN抗性鉴定
在河南省荥阳市的田间病圃 H. avenae 抗性鉴
定中, 供试小麦材料之间的平均单株孢囊数差异显
著(P< 0.05)。H3714和 H4058的单株孢囊数分别为8.4
个和4.4个, 表现中抗和抗病反应型, 与 Madsen (3.0
个)差异不显著, 但显著低于亲本烟农21 (33.8个)和
济麦19 (25.0个), 以及感病对照温麦19 (90.0个) (P <
0.05)。
同样, 在河南省许昌市的田间病圃 H. filipjevi抗
性鉴定中, H3714和 H4058表现中抗反应型, 单株孢
囊数分别为 6.7个和 7.0个, 与Madsen (1.2个)差异不
显著, 但与济麦 19、烟农 21和温麦 19有显著差异(P
< 0.05) (图 1)。在接种 H. avenae的条件下, H3714和
H4058 的单株孢囊数分别为 5.8 个和 9.2 个, 均显著
低于对照品种温麦 19 (18.6个) (P < 0.05)。
第 6期 孙喜营等: 抗禾谷孢囊线虫小麦新种质 H3714和 H4058的培育与鉴定 875
图 1 田间病圃和接种条件下 H3714和 H4058及其亲本
Madsen、烟农 21和济麦 19的单株孢囊数
Fig. 1 Mean number of white females per plant developed on
the roots of H3714, H4058 and their parental cultivars Madsen,
Yannong 21, and Jimai 19 under natural infestation in the field
tests and in the artificial inoculation test
2.2 苗期和成株期白粉病抗性鉴定
供试材料对 E09、E11、E20和 E21菌株的苗期
接种鉴定结果表明, H3714对 4个菌株的反应型均为
3级, 表现感病反应型。H4058对这些菌株的反应型
分别为 0级或 1级, 表现抗病反应型(表 1)。Madsen
表现感病, 反应型为 3 级或 4 级, 与感病对照中作
9504相同。
2014年5月下旬 , 在田间接种条件下 , H3714
和 H4058植株的反应型分别为4和0, 表现中抗和
免疫反应型 , 2个品系的最大严重度均为0。Madsen
的反应型为8, 最大严重度为85%。作为接种行的
中作 9504发病充分 , 反应型为 8, 最大严重度为
100%。
表 1 H3714、H4058和 Madsen苗期和成株期对白粉病的反应
Table 1 Reactions of H3714, H4058, and Madsen to Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) isolates at the seedling and adult plant stages
苗期接种 Bgt菌株 Bgt isolates inoculated at the seedling stage 成株期 Adult plant stage 品系/品种
Line/cultivar E09 E11 E20 E21
反应型
Infection type
最大病害严重度
Maximum disease severity
H3714 3 3 3 3 4 0
H4058 1 0 1 0 0 0
Madsen 3 3 4 3 7 85
中作 9504 Zhongzuo 9504 4 4 4 4 8 100
2.3 偏凸山羊草 2NS 染色体片段的分子标记检
测
利用偏凸山羊草 2NS 染色体特异分子标记
VENTRIUP-LN2 在 VPM1 和 Madsen 上的扩增片段
(262 bp)与偏凸山羊草一致; H3714和 H4058也观察
到相同的扩增片段, 普通小麦品种烟农 21、济麦 19
和温麦 19没有扩增产物(图 2-A)。
偏凸山羊草 Vrga1D 基因的特异分子标记
Vlr2.6-3′-Vlr2.4-5′在偏凸山羊草、VPM1 和 Madsen
中扩增出 886 bp特异片段, H3714和 H4058扩增出
相同的片段, 而烟农 21、济麦 19 和温麦 19 没有扩
增产物 (图 2-B)。Vrga1D 基因另一个分子标记
VRGA-F11-VRGA-R5的特异扩增片段为 285 bp, 偏
凸山羊草、VPM1、Madsen、H3714 和 H4058 均可
见该片段, 而烟农 21、济麦 19 和温麦 19 的扩增片
段较小(图 2-C)。VPM1、Madsen、H3714 和 H4058
还扩增出一个比 285 bp片段略小的片段, 这个片段
在偏凸山羊草、烟农 21、济麦 19和温麦 19中都没
有出现, 可能是 VPM1 的一个特异片段。这些结果
表明 H3714和 H4058 具有来自 Madsen 亲本的 2NS
染色体片段。
2.4 90K iSelect SNP分型结果
在 81 587个 SNP位点中, 检测到有效 SNP位点
70 195个。其中 H3714和 H4058具有明确染色体位
置的多态性 SNP 位点分别有 11 216 和 13 369 个。
H3714 每条染色体上多态性位点为 33~1106 个, 其
中 4D上最少, 2B和 5B上最多; H4058每条染色体
上多态性位点为 41~1385个, 以 4D上最少, 5B上最
多。从同源群来看, H3714 和 H4058 在第 2 和第 1
部分同源群多态性 SNP 最多 , 分别占 18.7%和
18.3%, 而第 4部分同源群多态性 SNP最少, 分别为
7.3%和 7.5% (图 3-A)。A、B、D基因组中, B基因
组多态性最高, H3714 和 H4058 的多态性位点分别
占 50.5%和 51.2%; 其次为 A基因组, 多态性位点分
别占 38.0%和 37.7%; D基因组的多态性位点最少, 2
个品系分别占 11.5%和 11.1% (图 3-B)。
H3714 和 H4058 中检测到有确切染色体位置的
多态性 SNP 位点分别为 6201 和 7081个, 其中与烟
农 21和济麦 19一致的 SNP位点数目(2783个和 3672
个)比与 Madsen (2510 个和 3222 个)一致的 SNP 位
点多, 2个品系中均有一些独有的 SNP位点(908个和
187个)。
876 作 物 学 报 第 41卷
图 4 是根据 H3714 和 H4058 各染色体多态性
SNP 位点绘制的遗传构成比较的示意图。在多态性
SNP位点中, H3714和H4058共有的位点有 4918个。
两个品系相同的 SNP 位点有 3268 个(66.4%), 不同
的位点有 1650个(33.6%)。无论是相同的位点还是不
同的位点, B 基因组的 SNP 数目(分别为 1615 个和
865个)均多于 A基因组 SNP的数目(分别为 1153个
和 667个), 而 D基因组的 SNP数目最少(分别为 500
个和 118个)。从不同类型的 SNP来看, 两个品系 2A、
3A、6A、7A、2B、5B、7B、5D和 7D染色体与 Madsen
一致的 SNP频率较高, 1A、1B、4A、2D和 6D染色
体与烟农 21和济麦 19一致的 SNP频率较高。
虽然 H3714和 H4058来自同一个杂交组合, 但
是其遗传构成有较大差异(图4)。表现差异的 SNP位
点以不同频率分布在除 4D染色体之外的其他 20条
染色体上, 其中 5A、2B和 3B染色体上差异 SNP的
频率较高。5D、6D、7D 染色体较少, 4D 染色体上
的位点只有 11个, 没有不同的位点。另外, 2个品系
2A和 7B等染色体比较相似。而 D基因组染色体的
遗传构成相似可能是由于这些染色体上的多态性
SNP数目较少的原因。
3 讨论
当前, 有效抗源的匮乏是限制小麦抗孢囊线虫
育种的主要因素。一些抗线虫的国外品种和小麦野
生近缘种需要经过遗传改良才能在育种上利用。因
此, 创制抗 CCN新种质是当前培育抗线虫品种的前
提和首要任务。本研究通过田间病圃和温室接种鉴
定的方法, 从美国小麦品种Madsen与我国小麦品种
烟农 21和济麦 19杂种后代中发现抗 CCN的小麦种
质 H3714 和 H4058, 这 2个新品系对河南省 H.
avenae和 H. filipjevi 群体的抗性显著优于其亲本烟
农 21和济麦 19。
虽然在多年的田间病圃和接种鉴定中美国小麦
品种Madsen表现很强的线虫抗性, 但是抽穗期晚所
造成的花期不遇是限制其利用的主要因素。采用杂
交和回交策略选出的 H3714和 H4058在保持线虫抗
性的同时, 生育期比 Madsen 大大提前。根据 2014
年在北京昌平试验田的观察, 2个品系的抽穗期分别
为 4 月 30 日和 4 月 28 日, 与烟农 21 和济麦 19 接
近, 而 Madsen的抽穗期为 5月 15日(数据未发表)。
H3714 和 H4058 抽穗期的改良, 便于其在杂交育种
上作为亲本与其他小麦品种或种质资源组配杂交组
合, 进而培育抗 CCN小麦品种。
我国禾谷孢囊线虫发生的区域大多也是白粉病
危害的地区。利用寄主抗性是同时控制地下和地上
病原生物的首选措施。抗病育种既要针对危害地下
根系的土传病害, 又要兼顾侵染地上部组织的真菌
病害(例如白粉病)。Madsen 具有良好的线虫抗性,
但却不抗白粉病。H3714 和 H4058兼具线虫和白粉
病抗性, 特别是 H4058 不但表现成株期抗病, 而且
苗期也抗不同来源的白粉菌菌株。虽然 VPM1 携带
图 2 利用偏凸山羊草 2NS染色体特异引物 VENTRIUP-LN2
(A)、Vlr2.6-3′-Vlr2.4-5′ (B)和 VRGA-F11-VRGA-R5 (C)对
H3714和 H4058及其亲本和对照材料的扩增
Fig. 2 Amplification of H3714 and H4058 as well as their
parental cultivars and the controls using primers Vlr2.6-3′-
Vlr2.4-5′ (A), VENTRIUP-LN2 (B), and VRGA-F11-VRGA-R5
(C) specific to chromosome 2NS from Aegilops ventricosa
M: 100 bp DNA ladder; 1: 偏凸山羊草; 2: VPM1; 3: Madsen;
4: H3714; 5: H4058; 6: 烟农 21; 7: 济麦 19; 8: 温麦 19。
箭头示各标记扩增的特征带。
M: 100 bp DNA ladder; 1: Aegilops ventricosa; 2: VPM1;
3: Madsen; 4: H3714; 5: H4058; 6: Yannong 21; 7: Jimai 19;
8: Wenmai 19. Arrows indicate the diagnostic bands amplified by
each pair of primers.
第 6期 孙喜营等: 抗禾谷孢囊线虫小麦新种质 H3714和 H4058的培育与鉴定 877
图 3 多态性 SNP位点在 H3714和 H4058部分同源群(A)和基因组(B)上的分布
Fig. 3 Distributions of polymorphic SNPs on different homoeologous groups (A) and genomes (B) in lines H3714 and H4058
图 4 根据多态性 SNP绘制的 H3714和 H4058的染色体构成图
Fig. 4 A diagram of chromosomal compositions for H3714 and
H4058 based on the polymorphic SNPs
相同编号并列的 2条染色体, 左侧为 H3714, 右侧为 H4058;
染色体编号下的数字为 SNP数。
The two chromosomes under the same codes belong to H3714 (left)
and H4058 (right). The number of SNPs used to construct the ge-
netic maps of individual chromosomes is indicated under the chro-
mosome codes.
抗白粉病基因 Pm4b[28], 但是由于 Madsen 不抗白粉
病, 因此, H3714和H4058的成株期或苗期白粉病抗
性不可能来自 Madsen, 而是与其他亲本有关, 这需
要对其系谱中涉及的亲本进行抗性鉴定才能确定其
白粉病抗性究竟从哪个亲本遗传而来。
Madsen 的亲本 VPM1 携带一个 2NS/2AS 易位
染色体, 这个易位染色体携带 Cre5 基因, 可以抗法
国 H. avenae 致病型 Ha12[29]。根据分子标记分析结
果, Helguera等[16]证明 Madsen也含有这个易位染色
体。利用 2NS 染色体片段的 3 个特异分子标记
VENTRIUP-LN2、Vlr2.6-3′-Vlr2.4-5′和 VRGA-F11-
VRGA-R5在 H3714和 H4058中扩增出与 Madsen、
VPM1 和偏凸山羊草相同的片段, 表明这些材料中
可能携带 2NS染色体片段。根据系谱分析, H3714、
H4058 和 Madsen 对我国禾谷孢囊线虫致病型的抗
性也可能与这个基因有关。这个偏凸山羊草易位染
色体片段还携带 Yr17、Lr37 和 Sr38 抗条锈病、叶
锈病和秆锈病基因簇[24,28,30]。H3714 和 H4058 也可
能具有 Yr17-Lr37-Sr38抗锈病基因簇。Madsen还具有
抗眼斑病基因Pch1[15]和小麦黄花叶病基因YmMD [31]。
Williamson 等 [32]报道 , VPM1 还具有抗根结线虫
(Meloidogyne spp.)基因 Rkn3。H3714和 H4058是否
具有更多病害的抗性基因还需要通过精准抗性鉴定
和分子定位来确定。
根据 RFLP 标记分析的结果, VPM1 和 Madsen
的 2NS染色体片段估计为 25~38 cM [16]。虽然这个
易位到小麦 2A 染色体上的偏凸山羊草染色体片段
较大, 但除了携带有益的抗病基因之外, 可能没有
严重的连锁累赘。研究证明 VPM1的 2NS染色体片
段对小麦的产量和品质没有不利影响[33-34]。在世界
各地 VPM1 已经被广泛用于小麦品种改良[35-37]。利
878 作 物 学 报 第 41卷
用 VPM1培育的小麦品种 Madsen自 1989年推广以
来[15], 已经在美国华盛顿州种植了 20 多年。VPM1
在我国小麦育种上也多有利用[38]。由于小麦部分同
源染色体配对抑制基因 Ph的存在, 通常偏凸山羊草
的 2NS染色体与小麦 2AS染色体不能配对和交换。
但是, Helguera等[16]和 Robert等[39]发现 2NS染色体
与小麦 2AS 染色体可能重组, 只是发生频率很低。
要想高效率地缩短 2NS 染色体片段, 需要采用 ph1
突变体促进部分同源配对, 提高部分同源染色体的
重组频率。
通常利用分子标记分析品种的亲缘关系主要采
用 PCR为基础的 SSR等类型的分子标记。单核苷酸
多态性(SNP)可以真实地解析小麦品种之间的亲缘
关系[40]。最近, Cavanagh 等[41]开发了基于 Illumina
技术平台的 9K SNP分析芯片, Wang等[17]又进一步
开发了 90K SNP芯片, 为分析小麦品种的亲缘关系
提供了一种高通量方法。本研究采用 90K SNP芯片
方法分析和比较了抗病种质 H3714和 H4058的染色
体构成, 发现 2个姊妹系在绝大多数染色体上都存
在一定的差异。不过, 根据这些 SNP 分析结果尚不
足以确定哪些染色体片段与 H3714和 H4058的抗性
有关。利用分离群体和分子标记定位可以最终解析
2个材料与抗性相关的染色体区段。
4 结论
选出的 2 个 BC1F4代品系 H3714 和 H4058 对
H. avenae (致病型 Ha43)和 H. filipjevi (致病型 Hfc-1)
的抗性与 Madsen 相似, 但抽穗期比后者提早 2 周,
与烟农 21 和济麦 19 相近。这两个品系还表现成株
期或苗期白粉病抗性。H3714 和 H4058 与 Madsen
均含有偏凸山羊草 2NS 染色体片段。2 个姊妹系的
遗传构成在共有的 4918 个多态性 SNP 位点中, 2/3
的 SNP位点相同, 另外 2/3的 SNP位点上表现不同。
本研究培育的抗禾谷孢囊线虫新种质 H3714 和
H4058为小麦抗线虫育种提供了新的有效抗源。
致谢: 感谢中国农业科学院植物保护研究所周益林
研究员提供白粉菌菌株。
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