小麥黑胚病抗性遺傳研究進展

李巧云，徐凱歌，牛吉山

(河南農業大學/國家小麥工程技術研究中心，河南鄭州 450002)

小麥黑胚病(wheat black point)是世界范圍內普遍發生的一種小麥籽粒病害。在澳大利亞、加拿大、中國、土耳其、保加利亞、斯洛伐克及其他國家進行過大量報道[1-10]。黑胚病的嚴重程度隨品種、地點、年份及防治措施等因素的不同而變化，各國報道的發病率一般在0.3%～66.7%之間[1-2,4]。近年來，隨著種植品種更替、水肥條件改善以及小麥成熟期間氣候的變化，該病呈現明顯加重的趨勢[5]。目前，黃淮麥區生產品種和區試新品系普遍對黑胚病表現為感病[6]。本文對小麥黑胚抗病遺傳研究進行綜述，以期為抗黑胚病小麥品種的選育提供參考。

1 真菌是小麥黑胚病的主要病原

根據文獻報道，從小麥黑胚籽粒上分離到的真菌有Acremoniella、Altemaria、Aureobasidium、Ascochyta、Aspergillus、Bipolaris、Botrvtis、Chaetomium、Cladosporium、Curvularia、Doratomyces、Drechslera、Epicoccum、Exserohilum、Fusarium、Nigrospora、Penicillium、Phoma、Sclerotium、Septoria、Stemphylium、Trichotheciutn等20余屬[11-18]，不同地區報道的小麥黑胚病的主要致病菌并不一致[12-18]。近20年來，我國學者在黑胚病病原菌的構成及其分布比例上做了大量工作，但得到的結論不盡相同。如，張天宇等[13]、白金鎧等[19]認為根腐平臍蠕孢(BipolarisSorokiniana)不僅是黑胚病的主要致病菌，還造成根腐和穗腐，對小麥的危害最大，而鏈格孢(Altemariaalternata)不是主要的病菌[13, 19]。代君麗等[15]認為，Altemaria屬的真菌(A.alternata、A.tenius、A.teniussima)是河南省小麥黑胚病的主要致病菌。新疆各地也有不少關于小麥黑胚病致病菌的報道，大致認同A.alternata是該病害的優勢病原菌，B.sorokiniana也是重要致病菌[13-15]。此外，欒豐剛等[17]和郝敬喆等[20]在吐魯番分離到嘴突凸臍蠕孢(E.rostratum)。可見，在我國由鏈格孢(A.alternata)與根腐平臍蠕孢(B.sorokiniana)引起的黑胚病最常見[12-13, 15-18]。也有一些研究報道，黑胚病與真菌侵染無關，如Williamson等[21]指出，黑胚癥狀與A.alternata侵染無關，而用H2O2和鄰苯二酚溶液能誘導成熟籽粒在體外產生黑胚癥狀，這表明除了真菌的侵染外，黑胚病癥狀的產生可能與小麥籽粒的一些代謝活動有關。但是，綜合多數研究報告的結論，真菌是小麥黑胚病的主要病原。當然，在真菌侵染的過程中，降雨量、大氣濕度、溫度、露水等氣候因素[19, 22-23]，土壤質地、施肥、灌溉、播期與收獲時間等栽培因素[9-10, 24-25]，甚至其他病蟲危害等因素[12]，也會影響黑胚病發病的嚴重程度。

2 小麥黑胚病抗性具有數量性狀特征

小麥黑胚病抗性表現出數量性狀的特點?；蛐?、地點、年份的互作效應對黑胚病發病率影響很大。Kili?等[10]用14個硬粒小麥品系在土耳其4個地點進行2年的試驗, 分析基因型與環境互作對黑胚病的影響，結果表明，小麥黑胚病的遺傳力達到49%，基因型×年份的互作比基因型×地點的互作效應大，基因型×地點×年份的互作效應最大。另有文獻報道，小麥對黑胚病的抗性不是由單基因控制的。Southwell等[26]推測硬粒小麥對A.alternata的抗性可能由一個或多個主效基因控制，持續抗性可能是微效基因或修飾基因與一個或多個主效基因互作的結果。我們課題組用蓋鈞鎰的主基因+多基因混合模型分析方法對源于"鄭豐9962×鄭麥7698"的F2分離群體進行了遺傳分析，結果顯示，小麥黑胚病抗性由2對主基因+多基因控制，第2對主效基因對B.sorokiniana的抗性表現為負向不完全顯性，是基因的加性效應和顯性效應共同作用的結果，且加性效應的效應值更大[27]。

小麥對不同致病菌引起的黑胚病的抗病位點也不同。Conner 和Davidson[9]研究了小麥對A.Alternaria和B.sorokiniana所致黑胚病的抗性，兩種致病菌對同一小麥品種致病力存在差異，如B.sorokiniana對小麥品種Fielder和Sinton致病力高，而A.alternata的致病力低，說明這兩個小麥品種對這兩種菌的抗性是受不同的基因控制的。Conner等[28]用抗、感黑胚病硬紅粒小麥品種Cadet和Rescue的二體代換系進行B.sorokiniana黑胚病的抗性研究，當感病品種Rescue的5B染色體被抗病品種Cadet的5B染色體代換形成的二體代換系R-C5B受到B.sorokiniana侵染后，黑胚率和抗病品種相似；反之，抗病品種Cadet的5B染色體被感病品種Rescue的5B染色體代換形成的二體代換系C-R5B受到B.sorokiniana侵染后，黑胚率和感病品種相似，說明Cadet對B.sorokiniana黑胚病的抗性是由位于5B染色體上的1個或幾個基因決定。此外，該研究還明確了硬紅粒小麥對A.Alternaria和B.sorokiniana黑胚病的抗性不相關，對B.sorokiniana黑胚病與B.sorokiniana根腐病的抗性也不相關。Statler等[29]以硬粒小麥品種Leeds(R) 與Golden Ball(S)為親本，構建正交與反交的F1、F2、F3及回交群體的研究結果表明，小麥對B.sorokiniana黑胚病的抗性與母本影響無關。

3 小麥抗黑胚病QTLs定位研究

許多學者的研究證實，不同小麥品種(系)間黑胚病發病率有較大差異。王會偉等[5]在2003-2005年對河南省生產上大面積推廣和新選育的44個小麥品種(系)的黑胚病抗性進行調查后發現，輕感(34.1%)和中感(38.6%)類型占絕大多數，少數為抗病(13.6%)和高感類型(13.6%)，這些抗病品系為小麥黑胚病的抗性遺傳研究提供了寶貴的資源。然而，由于小麥黑胚病的抗性鑒定在花后進行時效果較好[25]，故抗病材料的篩選受到時間限制，而且鑒定結果也會受大田環境的影響而不穩定，所以在表型鑒定費時而結果又不太可靠的情況下，應用分子標記輔助選擇抗黑胚病小麥品系尤為重要，但目前關于小麥抗黑胚病QTLs定位的文獻不多。Lehmensiek等[30]用兩個普通小麥DH群體，根據自然發病率定位小麥抗黑胚病QTLs。在源于Sunco(R)×Tasman(S)的DH群體(180個株系)中，在1D、2B、3D、4A、5A和7A染色體上定位到6個QTLs，解釋4%～15%的表型變異，抗感親本中都有抗病QTL，這是群體中一些株系的抗性比抗病親本高的原因。在Cascades(R)×AUS1408(S)群體(104個株系)中，在2A、2D和7A染色體上定位到3個QTLs，這些QTLs均來自抗病親本，解釋12%～18%的表型變異。如果分別用1個、2個或3個標記在Sunco(R)×Tasman(S)群體中進行抗黑胚病株系選擇，陽性單株選出率分別為87.2%、71.9%和53.1%，假陽性率分別為66.3%、51.1%和39.3%，在Cascades(R)×AUS1408(S)群體中，陽性單株選出率分別為83.9%、80.6%和32.3%，假陽性率分別為35.9%、18.9%和0，即用的標記數越多，篩選到的陽性株系越少，丟失的抗病株系越多，但是篩選的陽性株系中抗病株系的比例上升[30]。后來的研究者對這些QTLs及與這些QTLs連鎖的分子標記的有效性進行驗證。

Christopher等[31]用源于Batavia(S)×Pelsart(R)的DH群體研究分子標記的有效性，其中，Pelsart與Sunco都是Cook的后代，2B染色體上都具有源于提莫菲維小麥(Triticumtimopheevii)的易位片段[32],研究結果表明，SSR標記gwm319(2B) 和wmc048(4AS)與黑胚病抗性相關，這兩個分子標記有望在小麥抗黑胚病品種的培育中得到應用。Tah等[33]用4個抗黑胚病品系(Lang、Cascades、SW95-50213和Genaro)和1個感病品系(Cunningham)構建的20個F2群體驗證Lehmensiek等[30]定位的源于Sunco親本的QTLs，同時驗證在其他抗病材料中是否有新的抗黑胚病基因(QTL)。抗病小麥品系Lang與Sunco的2B染色體上都具有源于提莫菲維小麥(T.timopheevii)的易位片段，在該研究中，Lehmensiek等[30]定位在2B染色體上與標記wmc35、wmc154 與gwm501連鎖的QTL在以Lang為親本配置的不同的群體中得到驗證，而且在比Sunco與Cascades抗性更強的品系SW95-50213的2A染色體上發現新的抗黑胚病QTL[33]。

不同抗感親本配置的群體都在小麥第2部分同源群上定位到抗黑胚病QTLs[30, 32-33]，表明小麥的第2部分同源群對小麥黑胚病抗性很重要。小麥第2部分同源群與多酚氧化酶(PPO)活性顯著相關[34]。由于PPO催化酚類化合物的氧化，黑胚癥狀的產生機理可能與文獻報道的酶促褐變有關[6]。不同群體相符的QTL很少，在很大程度上表明不同的親本材料有不同的抗黑胚病基因，可以借助分子標記輔助選擇累積這些源于不同抗病親本或感病親本的抗性QTL，以提高生產中農藝親本的黑胚病抗性。

4 小麥黑胚病抗性遺傳研究存在的問題及對策

真菌是小麥黑胚病的主要致病菌，但是該病發生的嚴重程度還受到多種環境因素的影響，而小麥對黑胚病的抗性表現出數量性狀特點，黑胚病的發病率在不同基因型、品種與年份間變化較大，這給小麥黑胚病的抗性遺傳研究帶來一定的困難，目前還沒有發現小麥黑胚病抗性的分子標記在育種工作中的應用，這也影響了抗黑胚病小麥新品系的選育工作。以下是目前小麥抗黑胚病遺傳研究中存在的主要問題及對策。

第一，以自然發病率作為抗感材料篩選的依據，鑒定出的抗病材料未必真的抗病。真菌是小麥黑胚病的主要致病菌，首先應該明確本地區小麥黑胚病的主要致病菌，通過接菌鑒定的方法篩選真正的抗病材料。從2010年開始，本課題組從不同的自然條件下高感黑胚病的小麥品系上，分離、鑒定出10個小麥黑胚病致病菌分離物，它們分屬6屬8個種，正在通過接菌鑒定篩選抗黑胚病小麥材料。

第二，缺少準確的小麥黑胚病抗性的鑒定方法。除真菌外，小麥黑胚病發生的嚴重程度受多種環境因素的影響，所以在進行抗病材料篩選與QTL定位研究的表型鑒定時，可靠、可行的小麥黑胚病抗性的鑒定方法與評價體系顯得尤為重要，目前文獻中尚未見到明確的對小麥進行黑胚病抗性鑒定的方法與評價體系。本課題組通過不同生育期、不同的保濕時間與不同接菌量三個因素分析，建立了優化的接種鑒定技術，采用按照黑胚率將品種抗性分為5個等級的評價標準對小麥材料進行抗性評價。

第三，沒有針對明確的病原進行QTLs定位。由于存在寄主-病原互作(即基因-基因抗性)，小麥對不同病原菌引起的黑胚病的抗性機理不一樣，如果僅在自然條件下進行黑胚率調查來進行QTLs定位，得到的結果會很不可靠，開發的分子標記也很難在小麥抗病育種中應用，這可能也正是目前國內外對小麥黑胚病抗性遺傳研究的最大缺陷，所以，小麥黑胚病的抗性研究必須進行分不同病原菌接種鑒定，使抗病機理研究或者進行抗黑胚病QTLs定位更有針對性，在接菌條件下，針對特定的病原進行QTLs定位，然后在育種中運用分子標記輔助選擇技術，將不同的抗病QTLs聚合在同一農藝親本中，培育抗多種病原或環境因素的品系，這樣的抗病品系才能在不同的地點不同年度間維持穩定的抗病性。本課題組已經針對不同的病原菌，篩選出抗、感病材料，配置了組合構建分離群體，為下一步針對抗不同病原菌黑胚病的QTL定位奠定基礎。

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