燕麥抗麥二叉蚜種質鑒定評價技術綜述

趙彤　郭建國

摘要：通過對麥二叉蚜生物型、燕麥種質資源對麥二叉蚜的排趨性、抗生性和耐害性鑒定、組合配置以及雜交后代群體抗性基因標記定位研究的分析，對燕麥抗蚜性鑒定技術、燕麥抗蚜機制、燕麥耐蚜性鑒定、燕麥抗性基因的分子標記等方面的研究進展進行了評述，旨在為燕麥抗蚜種質創制提供思路，解決單基因抗蚜品系應用麥二叉蚜分化新生物型的問題。

關鍵詞：燕麥；麥二叉蚜，鑒定評價

中圖分類號：S433.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2017）06-0064-04

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.022

Identification and Evaluation Techniques of Germplasm of

Schizaphis graminum on Oats

ZHAO Tong 1， GUO Jianguo 2

（1. Gansu Agricultural Information Center， Lanshou Gansu， 730000， China； 2. Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：The research progress of oat aphid resistance identification technology， oat aphid resistance mechanism， oat aphid resistance identification and molecular markers of oat resistance genes are reviewed， thought biotypes of Schizaphis graminum， identification of antixenosis and antibiosis and tolerance of Oat Germplasm on Schizaphis graminum， and analysis on Mapping of population resistance gene markers in Hybrid Progenies. aimed to provide ideas for Oat Germplasm Resistant aphid， to solve the problem of differentiation of new biotypes of single gene aphid resistance lines with Schizaphis graminum.

Key words：Oats；Schizaphis graminum；Identification and evaluation

燕麥是禾本科燕麥屬一年生糧飼兼用草本植物，具有抗旱耐瘠與抗寒、耐鹽等特性，是農業脆弱生態區生產力恢復與畜牧業持續發展的必需作物。通常按外稃有無分為帶稃型和裸粒型2種，按染色體組分為二倍體、四倍體和六倍體3種類型。全球北緯35～60° 有40多個國家種植的燕麥以皮燕麥為主，而我國由于是大粒裸燕麥的起源地[1 ]，栽培上以裸燕麥為主，常年種植面積約100萬hm2，主要分布于華北的冀、晉、蒙和西北六盤山麓的陜、甘、寧及西南地區的云、貴、川高寒山區。甘肅是中國西部內陸干旱省份，東南至西北降雨量依次遞減，氣候呈現東南濕潤、中部干旱和西北高寒的特征，常年燕麥種植面積5.3萬hm2，東南至西北均有分布，選育的“隴燕”和“定莜”及引進的“白燕”和“青永久”系列品種被廣泛種植，并隨著高效抗旱栽培技術模式的推廣，燕麥單產已由過去的750 kg/hm2大幅提高至現在的 5 250 kg/hm2，成為甘肅省干旱瘠薄地和退化草地廣泛種植的麥類作物。然而，近年來，隨著全球氣候變暖和甘肅干旱年份的頻繁出現，蚜蟲種群發育速率逐漸加快，世代重疊為害和介體傳播病毒造成的危害日益嚴重，嚴重影響著燕麥的產量和品質。國內外有關蚜蟲種群演變動態的研究結果表明，植物的營養水平是蚜蟲種群演變的重要生理因子[2 ]。麥二叉蚜是一種表型可塑性強的生物種群，單基因抗性品種應用是分化生物型的主要原因，國外已檢測出11種生物型[3 ]，國內僅有北京地區檢測到中國I型[4 ]，種群取食引起葉片褪綠與植株壞死及介體傳播BYDV引起紅葉病是其典型的危害特征。

基于麥二叉蚜是一種表型可塑性強、易克服單基因抗性的多型害蟲，利用具有豐富抗逆基因的燕麥資源，選育抗性種質需在明確麥二叉蚜生物型結構組成后才有實際意義。我們分析評述了麥二叉蚜生物型、燕麥種質資源對麥二叉蚜的排趨性、抗生性和耐害性鑒定、組合配置以及雜交后代群體抗性基因標記定位研究的進展，旨為燕麥抗蚜種質創制提供思路，解決單基因抗蚜品系應用麥二叉蚜分化新生物型的問題。

1 燕麥抗蚜性鑒定技術

國內外有關麥類作物抗蚜性選擇方法的研究表明，田間自然感染蚜蟲后的蚜量比值法是麥類作物抗蚜性評價的一種簡便方法，能在一定程度上說明某種麥類的抗蚜水平。但由于易受年份與地域間蚜蟲分布型、嚴重度等因素的制約，致使抗性評價手段與評價結果缺乏準確性；而網罩釋放蚜蟲于麥類的排趨性、抗生性和耐蚜性試驗方法[5 ]，可以避免年份、地域間蚜蟲分布型與嚴重度等因素的制約，使麥類抗蚜性評價在初始蚜量相對一致的條件下進行，從根本保證了抗蚜評價技術的科學性與評價結果的準確性，不僅是批量品種抗蚜性評價的快速有效方法，而且是單一品種抗蚜機制研究的主要手段。目前，該技術已廣泛應用小麥品種的抗蚜性鑒定評價與抗性機制的研究中，并發現一批具有優良抗性的小麥品種[6 ]。但有關燕麥品系抗蚜性鑒定評價研究較少。 2009 — 2012年我們調查發現，燕麥抗蚜種質資源匱乏，免疫和高抗材料較少，感蚜材料較多，已鑒定的169個栽培品種中僅有5個高抗，可見抗性種質創制迫在眉睫[7 ]。

2 燕麥抗蚜機制

作物的抗蚜性是作物與蚜蟲長期協同進化的結果，形態抗蚜與理化抗性是作物抗蚜的主要機制，兩種抗性對蚜蟲定殖、取食和種群繁殖有深遠影響，且隨作物生長變化而表現的一種時間序列行為。研究表明，葉背茸毛與氣孔數目、表面蠟質與葉肉細胞緊密度是形態抗蚜的物理因 子[8 - 9 ]，對蚜蟲定殖、取食和產卵有重要影響；葉片固有或取食誘導的揮發物和次生代謝物、防御蛋白是生理抗蚜的主要因子[10 - 12 ]，對蚜蟲寄主定位、食物利用、種群繁殖、天敵生態位有深遠影響。顯微觀測、電鏡掃描及色譜技術是研究作物形態與理化抗蚜的有效方法，能深入反應作物表面微觀特征及體內揮發物和次生代謝物的化學組成，揭示形態抗蚜與生化抗蚜機制；“Y”嗅覺儀和穿刺電位圖是記錄蚜蟲對寄主嗅覺反應與口針刺探行為的有效工具[13 ]，反應寄主對蚜蟲排趨性的強弱，得知蚜蟲口針是否刺吸以及刺吸時間的長短，反應組織抗蚜水平，準確定位抗蚜部位。解毒酶是蚜蟲排解不良環境制約的生理因子，其活性高低反應著蚜蟲對寄主抗性的內在調控策略[14 ]。種群生命表是蚜蟲在特定寄主上的生活周期，客觀反應著特定寄主上蚜蟲的繁殖策略[15 ]。這些技術已成功應用于小麥形態和理化抗蚜機制的研究中，闡明小麥對蚜蟲的抗性以理化抗性為主，苯并惡嗪類、總酚、生物堿和防御酶是抗蚜的重要生化物質，部分成果用于燕麥抗病機制研究中，但有關六倍體燕麥抗蚜機制的研究暫未見報道。

3 燕麥耐蚜性鑒定技術

作物的耐蚜性是植物遭遇蚜蟲為害后的一種生理補償特性，反應的是作物受蚜蟲為害后繼續生長繁殖的一種能力，超量補償、等量補償或不足補償是其主要的補償類型，3種補償作用通過調節被害作物的經濟產量和生物產量來彌補蚜蟲危害造成的損失，而對蚜蟲的取食和種群繁殖無不良影響，蚜蟲不會因寄主選擇壓力增大而出現新生物型。但3種補償作用受作物生長環境中的溫度、CO2濃度、土壤營養水平和化學物質等非生物因子以及作物生育期、蚜蟲生物型等生物因子的制約[16 ]。因此，評價被害作物的補償水平時必須明確作物的生育期和蚜蟲的生物型，保證被害作物生長環境溫度、CO2濃度和土壤水肥水平的一致性，才能有效避免生物因子與非生物因子的干擾，提高作物補償耐害評價機制的科學性。有關作物耐蚜性評價手段和耐蚜機理的研究結果表明，植株被害率和葉片功能損失指數是耐蚜性評價的主要方法，光合速率和細胞分裂素含量增加是作物耐蚜的主要機制[17 ]。

4 燕麥抗性基因的分子標記

作物抗蚜性是穩定遺傳的生物學性狀，編碼抗性物質的DNA序列或調節抗生物質合成的生物酶通常是主要的抗蚜基因，區別在于抗蚜性是由單基因控制的質量遺傳性狀，而耐蚜性是由多個基因控制的數量遺傳性狀。燕麥染色體基因組較大，缺乏全套非整倍體材料和足夠的遺傳標記，遺傳圖譜構建較晚，但目前已有不同標記類型的基因圖譜。如1995年ODonoughue 等[18 ]用 RFLP標記繪制了第1張燕麥連鎖圖譜，該圖譜包含 561 個基因位點，38 個連鎖群，每個連鎖群上有 2～51個位點，圖譜長度1 482 cM；2000年Jin 等[19 ]用RFLP 和AFLP標記發現，RFLP連鎖圖中36個連鎖群有 32 個與 AFLP 標記相連，二者結合使連鎖圖由原來1 482 cM增加到 2 351 cM，2001年Groh 等[20 ]用RFLP和AFLP標記技術構建了燕麥群體的AFLP連鎖圖，發現121個AFLP標記，32個連鎖群；2001年Portyanko 等[21 ]用136個重組近交家系，構建一張含441個基因座位的分子圖譜；2009年徐微[22 ]用92個AFLP標記、3個SSR標記和1個形態標記繪制了一張全長為1 544.8 cM的裸燕麥遺傳連鎖圖譜。這些圖譜的構建為分子輔助育種與抗性基因標記研究提供了有力工具，為抗性基因標記開發奠定了基礎。由于歷史上歐美國家燕麥銹病和白粉病發生較為嚴重，抗病基因發掘較早，如目前已標記的91個抗銹基因[23 ]、5個抗白粉基因[24 ]，抗蚜基因標記多見于小麥抗麥雙尾蚜（Dn）和麥二叉蚜（Gb）基因的標記定位中。如在小麥上已發現10個抗麥雙尾蚜基因，其中Dn1、Dn2、Dn5、Dn8、Dnx位于小麥7D上，Dn4和Dn9位于1D上，Dn7位于小麥1RS上[25 ]；發現9個抗麥二叉蚜基因，其中Gb2和Gb6位于小麥1A上，Gb3、Gb4和Gbz位于小麥7D上，Gb5和Gby位于小麥7A上，Gb1和Gbx的位置還待確 定[26 - 27 ]。

燕麥染色體基因組較大，缺乏全套非整倍體材料和足夠遺傳標記，遺傳圖譜構建較晚，有關燕麥抗蚜基因標記暫未見報道。因此，利用分子生物學手段輔助選育抗蚜品系將成為今后燕麥抗蚜種質創制的研究熱點。

參考文獻：

[1] 鄭殿升，張宗文. 大粒裸燕麥（莜麥）（Avena nuda L）起源及分類問題的探討[J]. 植物遺傳資源學報，2011，12（5）：667-670.

[2] WILKINSON T L，KOGA R，FUKATSU T. Role of host nutrition in symbiont regulation：impact of dietary nitrogen on proliferation of obligate and facultative bacterial endosymbionts of the pea aphid Acyrthosiphon pisum [J]. Applied and Environmental Microbiology，2007， 73（4）：1362-1366.

[3] ZHU L C，SMITH C M，REESE J C. Categories of resistance to greenbug （Homoptera：Aphididae） biotype K in wheat lines containing Aegilops tauschii genes[J]. Journal of Economic Entomology，2005，98（6）：2260-2265.

[4] 劉旭明，金達生. 北京地區麥二叉蚜生物型鑒定研究初報[J]. 昆蟲學報，1998，41（2）：141-144.

[5] DOGRAMACI M，MAYO Z B，WRIGHT R，et al. Categories of resistance， antibiosis and tolerance，to biotype I greenbug [Schizaphis graminum （Rondani） Homoptera：Aphididae]in four sorghum[Sorghum bicolor （L） Moench. Poales： Gramineae] hybrids[J]. Journal of the Kansas Entomological Society，2007，80（3）： 183-191.

[6] MOJAHED S，RAZMJOU J，GOLIZADEH A，et al. Resistance of wheat cultivars and lines to Schizaphis graminum（Hemiptera：Aphididae） under laboratory conditions[J]. Applied Entomology and Zoology，2013， 48（1）：39-45.

[7] 郭建國，郭滿庫，趙桂琴，等. 燕麥抗蚜性和抗BYDV病毒病鑒定及利用評價[J]. 中國農業科學，2012，45（3）：575-583.

[8] 林鳳敏，陸宴輝，吳孔明，等. 棉花葉片茸毛性狀與綠盲蝽抗性的關系[J]. 植物保護學報，2010，37（2）：165-171.

[9] 劉 勇，陳巨蓮，程登發. 不同小麥品種（系）葉片表面蠟質對兩種麥蚜取食的影響[J]. 應用生態學報，2007，18（8）：1785-1788.

[10] 蔡曉明，孫曉玲，陳宗懋. 蟲害誘導植物揮發物（HIPVs）：從誘導到生態功能[J]. 生態學報，2008，

28（8）：3969-3980.

[11] ELEK H，SMART L，MARTIN J，et al. The potential of hydroxamic acids in tetraploid and hexaploid wheat varieties as resistance factors against the bird-cherry oat aphid，Rhopalosiphum padi[J]. Annals of Applied Biology，2013，162（1）：100-109.

[12] SUN Y P，ZHAO L J，SUN L，et al. Immunolocalization of odorant-binding proteins on antennal chemosensilla of the peach aphid Myzus persicae（Sulzer）[J]. Chemical senses，2013，38（2）： 129-136.

[13] MORRIS G，FOSTER W A. Duelling aphids： electrical penetration graphs reveal the value of fighting for a feeding site[J]. Journal of Experimental Biology，2008，211（9）：1490-1494.

[14] FRANCIS F，VANHAELEN N，HAUBRUGE E. Glutathione S-transferases in the adaptation to plant secondary metabolites in the Myzus persicae aphid [J]. Archives of Insect Biochemistry and Physiology，2005，

58（3）：166-174.

[15] KIM J S，LEE J H，KIM T H，et al. Life table of the greenbug，Schizaphis graminum（Rondani）（Homoptera：Aphididae） on barley，Hordeum vulgare L .[J]. Korean Journal of Applied Entomology，2007，46（1）： 37-42.

[16] STRAUSS S Y， MURCH P. Toward an understanding of the mechanisms of tolerance：compensating for herbivore damage by enhancing a mutualism [J]. Ecological Entomology，2004，29（2）：234-239.

[17] TIFFIN P. Mechanisms of tolerance to herbivore damage：what do we know[J]. Evolutionary Ecology， 2000，14（4-6）： 523-536.

[18] ODONOUGHUE L S，KIANIAN S F， RAYAPATI P J. A molecular linkage map of cultivated oat[J]. Genome，1995，38（2）：368-380.

[19]JIN H，DOMIER L L，SHEN X. Combined AFLP and RFLP mapping in two hexaploid oat recombinant indred populations[J]. Genome，2000，43（1）：94-101.

[20]GROH S，ZACHARIAS A，KIANIAN SF，et al. Comparative AFLP mapping in two hexaploid oat populations[J]. Theoretical and Applied Genetics，2001，

102（6-7）：876-884.

[21] PORTYANKO V A，HOFFMAN D，LEE M，et al. A linkage map of hexaploid oat based on grass anchor DNA clones and its relationship to other oat maps[J]. Genome，2001，44（2）：249-265.

[22] 徐 微. 裸燕麥種質資源遺傳多樣性及遺傳圖譜構建研究[D]. 北京：中國農業科學院，2009.

[23] MCCARTNEY C A，STONEHOUSE R G，ROSSNAGEL B G，et al. Mapping of the oat crown rust resistance gene Pc91[J]. Theoretical and Applied Genetics，2011，122（2）：317-325.

[24] MOHLER V，ZELLER F J，HSAM S L K. Molecular mapping of powdery mildew resistance gene Eg-3 in cultivated oat （Avena sativa L. cv. Rollo） [J]. Journal of applied genetics，2012，53（2）：145-148.

[25] LIU X M，SMITH C M，GILL B S. Identification of microsatellite markers linked to Russian wheat aphid resistance genes Dn4 and Dn6 [J]. Theoretical and Applied Genetics，2002，104（6-7）：1042-1048.

[26] BOYKO E，STARKEY S，SMITH M. Molecular genetic mapping of Gby，a new greenbug resistance gene in bread wheat[J]. Theoretical and Applied Genetics，2004，109（6）：1230-1236.

[27] ZHU L C，SMITH C M，FRITZ A，et al. Genetic analysis and molecular mapping of a wheat gene conferring tolerance to the greenbug（Schizaphis graminum Rondani）[J]. Theoretical and Applied Genetics，2004，109（2）：289-293.

（本文責編：陳 珩）