新疆雜草黑麥赤霉病抗性鑒定及主要農藝性狀與其抗性的關系

劉欣欣，穆云森，溫曉蕾，楊燕萍，魏 萊，車永和

(河北科技師范學院，河北 秦皇島，066600)

赤霉病(FHB)是由多種鐮刀菌侵染引起的小麥病害[1]，是小麥生產的主要病害之一。自1884年英格蘭首次報道以來，在世界各地持續發生[2]。我國赤霉病在長江中下游麥區和黃淮冬麥區發生較重，在大流行年份導致小麥減產達30%～60%，甚至絕收。鐮刀菌侵染小麥產生脫氧雪腐鐮孢菌烯醇(deoxynivalenol, DON)等多種毒素，這些毒素進入人或者動物體內就直接危害人或動物健康[3]。培育抗(耐)赤霉病品種是預防小麥赤霉病的主要途徑之一，但小麥赤霉病抗源的嚴重匱乏，加之抗性表現形式的多樣性和遺傳方式的復雜性，使抗赤霉病育種進展緩慢，至今沒有取得突破性進展[4]。我國黃淮冬麥區、西南冬麥區、北部冬麥區以及東北春麥區主栽品種對赤霉病的抗性普遍較弱。迄今為止，已從普通小麥及其近緣種屬中鑒定出200多個抗赤霉病QTL[5]，分布于小麥不同染色體上，但僅有7個主效抗病基因得到精細定位，分別是來自“蘇麥3號”3BS上的Fhb1[6]和6BS上的Fhb2[7]，“望水白”4B上的Fhb4[8]和5A上的Fhb5[9]，以及分別從大賴草7Lr#1S，披堿草1Ets#1S和長穗偃麥草7E上轉移的Fhb3[10]，Fhb6[11]和Fhb7[12]。其中Su等[13]，Li等[14]研究證明，Fhb1不僅能有效的抑制糧食作物鐮刀菌病的發生，對其它易受鐮刀菌病危害的植物也有一定的改良作用。Wang等[15]研究發現，利用遠緣雜交結合分子標記輔助選擇將攜帶Fhb7的染色體片段轉移至栽培小麥品種，通過多年的表型鑒定發現，在多種不同的遺傳背景下，Fhb7均顯著提高小麥赤霉病和莖基腐病抗性，而對產量無顯著負面影響。

研究篩選新的抗赤霉病種質資源，發掘抗性基因，對提高小麥赤霉病抗性，拓展遺傳基礎，培育抗赤霉病品種具有十分重要的意義。在我國新疆地區發現的一種雜草型野生黑麥——新疆雜草黑麥(S.Cerealesubsp.segetale)，具有較高的多種生物、非生物抗性和良好的生產性能，是小麥和黑麥品種改良的重要基因資源。多位學者報道了對新疆雜草黑麥居群農藝性狀進行的調查分析，認為新疆雜草黑麥株高、分蘗數、千粒質量、穗長、穗寬、穗數等在形態學性狀上具備豐富的遺傳多樣性且綜合性狀較優，具有很高的育種潛力[14～16]。此外，陸峻君等[19]認為，新疆雜草黑麥大部分材料都有極強的抗旱、抗寒能力，可作為旱地小麥和冬小麥抗旱、抗寒育種的基因源。楊欣明等[20]對收集到的新疆雜草黑麥進行了銹病和白粉病抗性鑒定，發現有近一半的材料對銹病和白粉病的抗性都表現為免疫，表明新疆雜草黑麥中有潛在可用于小麥和黑麥等作物抗病育種的優異基因。但目前對小麥族近緣植物中抗赤霉病基因資源鑒定挖掘還相對薄弱，生產中亟待優異資源用于改良推廣品種。鑒此，筆者對收集保存的新疆雜草黑麥進行了赤霉病抗性評價，擬篩選出赤霉病抗性較強的種質資源，為赤霉病抗性育種提供相關的材料和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料：36個新疆雜草黑麥居群。該類黑麥材料是河北科技師范學院從中國農業科學院作物科學研究所引進，并進行了多年的基礎研究。

1.2 試驗方法

1.2.1田間試驗設計 2018年9月底在河北科技師范學院農學與生物科技學院遺傳實驗室進行育苗。為了提高發芽率，以赤霉素浸種處理，用m(河沙)∶m(蛭石)=1∶1混合土做基質進行室內育苗。待幼苗長到2葉期左右時移栽種植于生命科技實驗站。按照材料編號的順序單行種植，3次重復，行距20 cm，株距12 cm，常規大田管理。

1.2.2赤霉病病原菌孢懸液的配制 將河北科技師范學院植保實驗室保存的禾谷鐮刀菌在PDA固體培養基上進行繁殖，培養7 d后，取5個菌餅轉至MBM綠豆液體培養基中在25 ℃，120 r·min-1的光照恒溫培養搖床中進行恒溫振蕩、持續光照條件下培養，直至鏡檢出大量分生孢子，用紗布過濾掉菌餅、菌絲體等雜質，再加入適量無菌水將過濾的菌液濃度稀釋至10×10倍顯微鏡視野下有20～30個分生孢子時來配制孢子懸浮液。

1.2.3接種方法 在新疆雜草黑麥的揚花期，采用單花滴注法接菌[21]，每個處理隨機選取3～5株，每株隨機接種2～3穗，用移液槍將10 μL菌液注入麥穗中部兩側對稱的小穗中的2朵小花中。沒有接種的開花期和大小相近的同株穗子為對照。接種后用塑料薄膜將接種穗隔離，并保持接種麥穗周圍空氣濕度，3 d摘除塑料薄膜。

1.2.4赤霉病抗性調查與抗性評價方法 接種后28 d，對每個重復材料統計接種及沒有接種(對照)情況下的3株每株各2個穗子的總小穗數，發病小穗數，病小穗率[22]。

抗性調查方法：參考全國統一的田間病穗的0～4級劃分標準[23]。

0級：只有接種小穗或1個小穗發病；1級：2個以上至 1/4 以下小穗發病；2 級：1/4～1/2 小穗發病；3 級：1/2 以上～3/4小穗發病；4 級：3/4 以上小穗發病或出現整穗青枯凋萎。

抗性等級[24]：根據病情指數的高低將抗性劃分為5個類型。0級，抗(R)，病情指數≤5；1級，中抗(MR)，病情指數5.1～15.0；2級，中感(MS)，病情指數 15.1～25.0；3級，感(S)，病情指數 25.1～35.0；4級，高感(HS)，病情指數≥35.1。具體指標計算方法如下：

病小穗率=(病小穗數/總小穗數)×100%

病情指數=100×各級病穗數(0～4)×相應級別的總和/(調查穗數×4)。

1.2.5赤霉病抗性農藝性狀指標鑒定 室內考種株高(cm)，穗長(cm)，粒長(cm)，粒寬(cm)，千粒質量(g)等農藝性狀，并計算病粒率，單穗產量(g)，籽粒長變化率，籽粒寬變化率，千粒質量變化率，單穗減產率等。具體指標計算方法如下：

病粒率=(病粒數/總粒數)×100%

籽粒長變化率=[(未接病籽粒長-接病籽粒長)/未接病籽粒長]×100%

籽粒寬變化率=[(未接病籽粒寬-接病籽粒寬)/未接病籽粒寬]×100%

千粒質量變化率=[(未接病千粒質量-接病千粒質量)/未接病千粒質量]×100%

單穗減產率=[(未接病穗質量-接病穗質量)/未接病穗質量]×100%

1.3 統計分析

利用SPSS 22.0進行相關性分析和回歸分析等。

2 結果與分析

2.1 供試材料對赤霉病的抗性反應

田間接種后對36份新疆雜草黑麥居群赤霉病抗性鑒定(圖1)，第28天統計各居群的病小穗率和病情指數，并進行赤霉病抗性評價(表1，表2)。

經赤霉病抗性鑒定，供試材料之間赤霉病抗性表現差異較大(圖1)。其中供試材料病情指數在5.1～15.0，鑒定表現為中抗(MR)的居群有3個，占研究材料的8.33%；病情指數高于15.1且低于25.0(含25.0)，鑒定表現為中感(MS)的居群有6個居群，占供試材料的16.67%；鑒定表現為感(S)，病情指數15.1～25.0的材料有6份，占供試材料的16.67%；鑒定材料中大多數居群為高感(HS)材料，占供試材料的58.33%；供試材料接種鑒定沒有發現表現為抗(R)的材料。

圖1 赤霉病接種后21 d新疆雜草黑麥居群的穗部表型注：赤霉病抗性表現：A，中抗；B，中感；C，感；D，高感

表1 36份新疆雜草黑麥的赤霉病抗性評價

表2 36份新疆雜草黑麥的抗赤霉病分類情況

分析結果表明，赤霉病接種后隨著病小穗率的增加，病情指數不斷增加，材料抗性等級不斷降低；反之，接種后病小穗率較低，病情指數較低，材料抗性等級較高。

2.2 赤霉病抗性相關性狀相關分析

相關性分析結果顯示(表3)，36份新疆雜草黑麥的病情指數與株高(r=0.11)和穗長(r=-0.08)的相關性均不顯著。病粒率與病情指數呈極顯著正相關(r=0.56**)，說明接種赤霉病菌的材料其病粒率越多，病情指數則越高；反之，病情指數則越低。接種赤霉病菌后的新疆雜草黑麥籽粒長、寬均與病情指數呈極顯著負相關(r=-0.70**和r=-0.66**)，表明病情指數越低，則籽粒相對越長和越寬。接種赤霉病菌后的千粒質量與病情指數呈極顯著負相關(r=-0.91**)，表明感染赤霉病的新疆雜草黑麥的病情指數越高，千粒質量越低。單穗產量與病情指數呈極顯著負相關(r=-0.63**)，說明隨著病情指數升高，導致單穗產量降低。

綜上所述，隨著新疆雜草黑麥籽粒染赤霉病菌數目增多，導致病情指數升高，對赤霉病抗性表現下降，影響到籽粒長(寬)度減少，千粒質量降低，單穗產量降低。

表3 36份新疆雜草黑麥的病情指數與農藝性狀的相關分析

2.3 赤霉病抗性相關性狀變化率的相關分析

相關性分析結果顯示(表4)，新疆雜草黑麥接種赤霉病菌與對照(未有接種)間籽粒長和籽粒寬變化明顯(圖2，圖3)，籽粒長變化率、籽粒寬變化率、千粒質量變化率、單穗減產率與病情指數之間均呈極顯著正相關(r=0.59**，r=0.59**，r=0.91**，r=0.64**)，說明籽粒長變化率增加、籽粒寬變化率增加、千粒質量變化率增加、單穗減產率增加都會導致病情指數升高，則抗性表現為降低。

綜上所述，新疆雜草黑麥接種赤霉病菌的籽粒長(寬)度持續減少，導致病情指數升高，材料對赤霉病抗性表現下降，也會影響千粒質量降低，單穗產量降低。

2.4 赤霉病抗性相關性狀回歸分析

對36份接種赤霉病的新疆雜草黑麥，以株高X1，穗長X2，籽粒長X3，籽粒寬X4，病粒率X5，千粒質量X6，單穗產量X7等為自變量，病情指數y為因變量進行回歸分析(表5)。多元回歸分析在剔除了自變量株高，穗長，籽粒長，籽粒寬和單穗產量，并建立方程y=84.58+0.18X5-3.43X6。由多元線性回歸方程可以看出，對赤霉病抗性等級評定影響相對重要指標是接種后的病粒率和千粒質量。由此表明，病粒率與千粒質量相關性呈極顯著負相關，說明隨著材料病粒率增加，病情指數顯著升高，此時材料抗性明顯降低，隨之千粒質量也顯著降低。

圖2 接種和未接種赤霉病的新疆雜草黑麥居群收獲的籽粒粒長表型 注：赤霉病抗性表現：A，中抗；B，中感；C，感；D，高感。上行為感病籽粒，下行為正常籽粒。

圖3 接種和未接種赤霉病的新疆雜草黑麥居群收獲的籽粒粒寬表型注：赤霉病抗性表現：A，中抗；B，中感；C，感；D，高感。上行為感病籽粒，下行為正常籽粒。

表4 36份新疆雜草黑麥的病情指數與農藝性狀變化率的相關分析

表5 36份新疆雜草黑麥的病情指數與農藝性狀的回歸分析

3 討論與結論

3.1 赤霉病抗性種質資源的發掘與鑒定

種質資源是抗病育種工作的基礎。在我國，小麥赤霉病研究協作組已經對小麥屬的稀有材料、山羊草屬材料、小黑麥材料等共34 571份材料進行了赤霉病抗性鑒定，表現為抗或中抗的材料僅占鑒定材料總數的5.19%[5]。Wang等[15]研究表明，小麥赤霉病的新抗源可以利用近緣物種創制得到，但在目前研究中尚未發現抗性明顯超過蘇麥3號的優良材料[25]。因此，進一步挖掘野生種質，獲得抗性更強的材料顯得十分重要。

本次研究中采用單花滴注接種的方法在36份新疆雜草黑麥材料中鑒定篩選得到了3份中抗(MR)材料，占供試材料的8.33%，3份材料病小穗率都較低，表現為較高的中抗性。在相關研究中，除了在小黑麥中發現了一些中抗材料，在其余小麥屬的稀有材料及近緣物種中近乎沒有鑒定得到高抗、中抗材料[3]。相比較小麥族其它種質資源而言，本次研究發現在新疆雜草黑麥中有具有豐富的赤霉病抗源。因此，當前在赤霉病育種缺乏抗源的大背景下，應進一步加強在野生或近緣種屬中對抗赤霉病種質資源的篩選，從而豐富赤霉病的抗性資源。

3.2 赤霉病抗性種質資源的農藝性狀的選擇

Ogrodowicz等[26]在大麥2H染色體短臂上檢測到許多與FHB和產量相關性狀相關的QTL，證實農藝性狀與FHB密切相關，在選育抗FHB品種時應充分考慮農藝性狀綜合選擇。通過病情指數與農藝性狀指標進行相關性分析表明，在小麥的株高、穗形等影響小麥抗病性的關系上，各研究結論不盡相同。其中，一些研究結果表明，株高與赤霉病病情指數呈極顯著負相關[27～31]；而另一些研究結果則顯示，株高與病情指數呈正相關關系[32～35]。本次研究結果表明，新疆雜草黑麥的株高與病情指數的相關性均不顯著，說明株高對病情指數影響較小，這與陸維忠等[36]、李雷等[37]、劉惕若等[38]報道的一些大麥、小麥等的株高與病情指數無顯著相關的研究結果一致。從穗長與病情指數方面來看，欒海業等[39]對美國大麥的研究結果顯示，穗長與赤霉病病級呈極顯著負相關。而本次研究分析結果顯示，新疆雜草黑麥的穗長與病情指數呈不顯著負相關，其病情指數對穗長影響較小，這與劉惕若等[38]赤霉病抗性強弱與穗長無關的研究結果一致。

本次研究中，新疆雜草黑麥籽粒長、籽粒寬、病粒率、千粒質量、單穗產量與病情指數相關極顯著。進一步進行多元線性回歸分析表明，其病粒率、千粒質量是評估赤霉病病情指數相對較重要的指標。張慶樂等[40]，蔣國梁等[41]對小麥的研究顯示，通過對抗赤霉病輪回選擇群體抗性與產量性狀分析也表明，對輪選品系在抗性提高的同時，其千粒質量等產量性狀同步提高，說明千粒質量在一定程度上反應對赤霉病的抗病表現。何賢芳等[42]的研究結果表明，病粒率越高，千粒質量越低，且相互之間也呈極顯著負相關，這與本次研究結果一致。綜合以上結果表明，隨著籽粒感染數目越多，病粒率增加，病情指數提高，抗性則不斷降低，千粒質量將降低；反之，隨著籽粒感染數量減少，病粒率降低，病情指數降低，抗性則不斷提高，千粒質量將增加。

本次研究相關分析中，粒形(粒長和粒寬)與病情指數呈極顯著相關；在多元回歸分析7個性狀指標中只有病粒率和千粒質量進入回歸方程，說明接種后的粒形(粒長、粒寬)可作為影響赤霉病抗性評估的較大的單個影響因子。在赤霉病抗病育種過程中更應注重綜合評價影響較大的農藝性狀指標，這將更有利于對種質資源的篩選，加速育種進程。

3.3 R基因組赤霉病抗性種質資源的進一步研究與利用

李海燕等[43]研究顯示，小麥品種的抗性遺傳不是單基因控制的質量性狀遺傳而是由多基因控制的數量性狀遺傳，容易受環境影響，僅僅通過常規育種進行抗性鑒定存在一定的難度。基因組選擇可以提高這些QTL的選擇準確性，從而創造出高度抗FHB的品種。Bai等[44]研究發現，Fhb1始終顯示出不同遺傳背景下的最高抗性水平。Hu等[45]在4AL和5DL上研究發現了新的FHB抗性基因座，表明這2個基因座含有重要的研究和育種應用價值。在黑麥R基因組的赤霉病抗性相關研究目前報道較少，Ollier等[46]在小黑麥的5R上發現1個Fhb1的主效QTL位點，且該位點與矮稈基因Ddw1連鎖，這是第一份證明黑麥Fhb1成功導入小黑麥的報道，表明黑麥在提高作物抗赤霉病抗性研究中具有重要價值。

發掘近緣野生種中的抗病基因是小麥抗赤霉病育種一條重要而有效的途徑。新疆雜草黑麥有著豐富遺傳多樣性，可作為小麥和黑麥種質改良的重要基因資源。目前對新疆雜草黑麥并沒有系統深入的研究和利用，對其赤霉病抗性等相關深入研究不僅會極大程度上豐富赤霉病抗性資源的多樣性，而且也可以促進麥類作物抗赤霉病的遺傳育種研究進展。隨著現代分子生物技術的發展，可進行新疆雜草黑麥遺傳圖譜構建，并對其抗性和豐產性等基因進行精細定位，從而促進小麥和黑麥等植物分子輔助育種，培育出抗性強且具有黑麥優異豐產基因的優良材料。

3.4 結論

本次試驗發現，新疆雜草黑麥中具有豐富的赤霉病抗性表現，其中89R14，89R51和90R2等3個新疆雜草黑麥居群經鑒定病小穗率低于2%，病情指數均為10%，抗性表現較好，抗性等級達到中抗(MR)。89R14，89R51和90R2 可以作為赤霉病的抗病育種優異資源進一步研究利用。