18份國外棉花種質黃萎病抗性鑒定與篩選

馬清倩,楊紅蘭,魏 鑫,張大偉, Alisher A. Abdullaev,程利華,張道遠

(1.新疆農業大學農學院,烏魯木齊 830052;2.新疆抗逆植物基因資源保育與利用重點實驗室,中國科學院新疆生態與地理研究所,烏魯木齊 830011;3.新疆農業科學院經濟作物研究所,烏魯木齊 830091;4. 烏茲別克斯坦創新發展部先進技術中心 , 烏茲別克斯坦塔什干 100174)

0 引 言

【研究意義】棉花黃萎病是制約棉花生產的主要因素之一[1]。棉花黃萎病是由大麗輪枝菌(Verticilliumdahliae)病原菌引起、發生的,可通過病殘體、種子、水流和土壤傳播,其特點是分布廣、危害重、寄主范圍廣、傳播途徑多、植物體外存活時間長;可以在棉花的各個生育期入侵發病,發病嚴重時可造成絕產[2,3]。隨著連作時間增長及近年來新疆從內地引種較多,極端氣候增多等因素對棉花黃萎病產生很大影響,病菌的致病性明顯增強[4,5]。且目前尚無有效的藥物來防治[6]。棉花品種(系)黃萎病抗病性鑒定是棉花抗病育種的基礎[7,8]。選育和利用抗病品種是控制棉花黃萎病最經濟有效的手段[9,10]。抗性種質資源的鑒定與篩選同育種研究一樣,是一項連續性很強的研究。隨著時間的推移,黃萎病病菌會發生不同程度的變異且可能具有地域性[11,12]。針對目前棉花黃萎病抗性種質遠遠不能滿足生產需要的問題,不斷進行抗性品種(系)的篩選和鑒定顯得尤為重要。【前人研究進展】從棉花的早熟性[13,14]、遺傳多樣性[15～17]和抗逆性[18,19]等不同角度對棉花種質資源做了研究[20,21]。針對棉花黃萎病抗性基因資源挖掘利用也取得新的進展,包括從海島棉中鑒定到1個參與race 2生理小種大麗輪枝菌V991的抗病基因GbaNA1,研究其抗病遺傳機制發現主栽陸地棉品種缺失該基因功能[22];利用蛋白提純、cDNA文庫篩選等方法從天麻中發現4個抗真菌蛋白基因,其中一個新的成員GAFP4轉入到2個陸地棉栽培品種中,顯著提高受體棉黃萎病抗性,且GAFP4轉基因棉花在纖維產量上也有20.7%～51.7%的增加[23];鑒定了大麗輪枝菌侵染結構-附著枝-的存在,發現少量大麗輪枝菌在緊密接觸到宿主根表皮細胞時分化形成頂端膨大的菌絲分枝(即附著枝),并發育出侵染釘;依賴于四跨膜蛋白tetraspanin VdPls1的NADPH氧化酶VdNoxB所產生活性氧是侵染結構發育和穿透植物根所必需的。證明了附著枝特異的依賴于VdNoxB/VdPls1的活性氧-鈣離子信號途徑是調控大麗輪枝菌侵染結構發育的重要途徑[24]。利用寄主誘導基因沉默(HIGS)技術,證明了棉花產生的小RNA能夠進入菌絲體誘導目標基因沉默;利用純和轉基因株系通過新疆實地病圃抗病檢測,證明了HIGS在棉花抗黃萎病上應用的可行和有效性[25]。黃萎病菌株變異快,具有地域性,抗病機理和轉基因技術的研究需要基于性狀優良的親本。【本研究切入點】黃萎病是當前危害棉花的主要、重要病害,棉花黃萎病抗性種質資源較狹窄。需要系統研究鑒定棉花種質資源以篩選黃萎病抗性種質。【擬解決的關鍵問題】從國外引進18份棉花品種(系),并進行黃萎病抗性和農藝性狀鑒定與篩選,分析抗黃萎病棉花育種進程,為促進抗黃萎病新品種在生產上的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

18份引進國外棉花種質資源由中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室提供。該批種質資源引進烏茲別克斯坦抗黃萎病棉花資源,其中有部分在中棉所種質資源庫編目入庫,評價在新疆本土資源抗病指數。表1

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

選取試驗地為新疆農業科學院瑪納斯(N44°18′,E86° 13′)棉花育種基地專用病圃田,病圃田于2010年嚴格規范接種北疆黃萎病致病力較強的菌種,近年通過病圃鑒定并審定通過新陸早57號、新陸早73號等北疆早熟棉品種。該地區晝夜溫差大,最熱月(7月)平均氣溫25.6℃,極端高溫37℃,極端低溫14℃,日溫差10～18℃,年均日照時數2 700～ 2 800 h。年均氣溫7.2℃,年均降水量173.3 mm年均蒸發量2 141 mm,全年無霜期165～172 d,屬于中溫帶大陸性干旱氣候[26]。4月中旬在黃萎病病圃播種。試驗田土地為沙壤土,土壤肥力中等,滴灌設施條件完善,種植模式1膜4行。每個品種(系)2行區,行長3 m,寬0.7 m,株距10 cm,采用隨機區組排列,3次重復,田間管理全生育期滴灌,隨水施肥,全生育期水量330 m3/667m2,尿素25 kg/667m2,磷酸二氫鉀15 kg/667m2。全程縮節胺化控6次,總計用量27 g/667m2。7月6日人工打頂。

表1 供試18份國外棉花種質資源材料Table 1 Information of eighteen foreign cotton germplasm

1.2.2 測定指標

分別于2018、2019年8月15日和10月15日進行黃萎病病情調查。每重復隨機調查連續10株發病情況。8月采用葉片法調查發病情況,采用國內黃萎病統一分級標準[27]:0級:健株,葉片無癥狀。1級:有25%及以下的葉片表現癥狀,即葉片出現葉肉變黃或呈現不規則形的黃色病斑;2級:26%～50%的葉片表現病狀,病斑顏色大部分變為黃色或黃褐色,葉片邊緣略有卷枯現象;3級:51%～75%的葉片表現病狀,少數病葉凋落;4級:76%以上的葉片表現病狀,多為褐色掌狀枯斑,嚴重時葉片大量脫落甚至棉株枯死。

2018、2019年10月利用剖稈法調查發病情況。剖稈法調查分級標準為[28]:0級:木質部潔白無病變;1級:木質部有少數變色條紋,變色面積占剖面的25%以下;2級:木質部有多數變色條紋,變色面積占剖面的26%～50%;3級:木質部變色面積占剖面的51%～75%;4級:木質部變色面積占剖面的76%以上。在常年種植棉花的地區,黃萎病的危害逐年加重[29],黃萎病病情指數分級標準采用地方標準[28]:免疫(I)、高抗(HR)、抗病(R)、耐病(T)、感病(S)、高感(HS)分別為0．00、0.10～20.00、20.10～30.00、30.10～50.00、50.10～80.00、80.10～100.00。

農藝性狀及生物學性狀的觀察與測定參照《農作物種質資源鑒定評價技術規范棉花》(NY/T 2323―2013)進行[30]。每重復隨機選內外行連續5株,共10株,打頂后2～3周調查株高、果枝始節、有效果枝;吐絮期調查單株結鈴數,隨后取中上部正常吐絮棉鈴50個,晾曬后測定其單鈴重、衣分等指標。稱取15 g皮棉送至農業農村部棉花品質監督檢驗測試中心(安陽)檢測上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度指數、伸長率。纖維品質根據NY/T1426-2007評價方法判斷[31]。

病情指數=〔∑各級病株數×相應病級/總株數×4〕×100%。

1.3 數據處理

供試種質資源的農藝性狀、產量構成因素、發病率、抗病性、籽棉產量及纖維品質等性狀的原始數據經Excel 2010進行統計整理。并利用SPSS 19.0軟件對各性狀數據進行單因素方差分析,相關性分析和聚類分析等。

2 結果與分析

2.1 供試種質資源主要農藝性狀變化

研究表明,引進的18份國外種質資源生育期差異較小,極差為14 d,18份資源材料屬于早中熟性類型;株高平均值為53.61 cm,均為中等株高種質資源;果枝始節在4.44～5.22,差異不顯著;11號有效果枝數最多,顯著高于其他17份資源,10號有效果枝數最少,其余資源材料有效果枝數均在4.00～5.89。表2

表2 18份國外資源主要農藝性狀比較Table 2 Comparison of main agronomic characters of 18 foreign cotton germplasm resources

2.2 供試種質資源產量構成因素變化

研究表明,18份國外種質資源的單株結鈴數最多的是11號,單株結鈴數為8.11,顯著高于其他13份材料;最少的是10號,單株結鈴數為3.55,低于其他17份材料;其余的單株結鈴數在4.33～7.33。單鈴重最高的是3號,鈴重為7.93 g,顯著高于其他14份資源;最低的是17號單鈴重為4.39 g,顯著低于其他12份資源;其余單鈴重在4.43～7.41 g。衣分最高的是2號,衣分為43.30%,顯著高于其他17份種質資源;其次為15號,衣分為40.4%,與其他13份達到顯著差異水平;6、13號材料衣分顯著低于其他16份材料。表3

表3 18份國外種質資源產量 構成因素比較Table 3 Comparison of yield components of 18 foreign cotton germplasm resources

2.3 供試種質資源黃萎病抗性及產量性狀表現

研究表明,18份國外種質資源發病率最低的是11號,發病率為41.5%;發病率為100%的有8份材料。病情指數分布范圍在0.10～20.00的高抗材料有1份,為4號,其病情指數為18.75;病指在20.10～30.00的抗病材料有5份,占總資源數的27.77%;病指在30.10～50.00的耐病材料有8份,占總資源數的44.44%;病指在50.10～80.00的感病材料有4份,占總資源數的22.22%;未發現有免疫和高感的材料。籽棉產量最高的是3號,籽棉產量為9 516.30 kg/hm2;籽棉產量最低的是13號,籽棉產量為3 350.70 kg/hm2。纖維品質最好的有3份,分別為1、9和11號,上半部平均長度都在中長絨到長絨的范圍,整齊度指數在較高到高的范圍,斷裂比強度在較高到超高的范圍,馬克隆值都在A區。表4

2.4 抗黃萎病能力與農藝性狀、籽棉產量及產量構成因素的相關性

研究表明,黃萎病病情指數與株高、果枝始節、單株結鈴數、單鈴重、衣分、籽棉產量、上半部平均長度、斷裂比強度、整齊度指數、伸長率呈負相關,與有效果枝、馬克隆值呈正相關,與株高、籽棉產量呈極顯著負相關(P<0.01),與上半部平均長度呈顯著負相關(P<0.05);株高與果枝始節、有效果枝、單株結鈴數、單鈴重、衣分、籽棉產量、上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值呈正相關,與籽棉產量呈極顯著正相關(P<0.01),與單鈴重呈顯著正相關(P<0.05);果枝始節與有效果枝、單株結鈴數、單鈴重、籽棉產量、上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度指數呈正相關,與伸長率、衣分呈負相關,與單鈴重、籽棉產量達到極顯著水平(P<0.01),與單株結鈴數和上半部平均長度達到顯著性水平(P<0.05);有效果枝與單株結鈴數呈極顯著正相關(P<0.01),與上半部平均長度、斷裂比強度呈顯著正相關(P<0.05);單株結鈴數與上半部平均長度和斷裂比強度呈極顯著正相關(P<0.01);單鈴重與籽棉產量呈極顯著正相關(P<0.01),與整齊度指數呈顯著正相關(P<0.05);籽棉產量與上半部平均長度呈顯著正相關(P<0.05);上半部平均長度與斷裂比強度呈極顯著正相關(P<0.01),與整齊度指數呈顯著正相關(P<0.05);斷裂比強度與整齊度指數呈顯著正相關(P<0.05)。表5

表4 各種質資源主要纖維品質性狀、籽棉產量與黃萎病抗性Table 4 Table of main fiber quality characters, seed cotton yield and Verticillium wiltresistance of 18 foreign cotton germplasm resources

表5 18份國外種質資源的病情指數與農藝性狀、纖維品質的相關性Table 5 Correlation between disease index, agronomic traits and fiber quality of 18 foreign germplasm resources

2.5 供試種質資源病情指數聚類

研究表明,以歐式距離為遺傳距離,在遺傳距離為5時,將18份種質材料分為3個類群。類群Ⅰ包括6份材料,為黃萎病抗病類群;類群Ⅱ包括8份材料,為黃萎病耐病類群;類群Ⅲ包括4份材料,為黃萎病感病類群。圖1

圖1 18份國外種質資源病情指數聚類

3 討 論

對18份國外種質資源進行抗性鑒定及農藝性狀等的分析,明確各種質資源的性狀特點,為棉花育種及資源的有效利用提供參考[32]。國外種質資源的引進和再創新利用是解決新疆棉花種質資源遺傳基礎狹窄和新品種選育的重要途徑[33]。針對320份陸地棉種質資源黃萎病抗性鑒定,現代品種的平均病情指數為43.75整體抗性都要好于中期、早期品種(平均病情指數分為48.60和51.55)[21];對318份陸地棉種質經病圃鑒定病情指數分布范圍為 10.1～ 76.0,平均值為 37.0[34];對107份種質3年連續混生病圃鑒定,病情指數平均最低為16.81,最高為71.50,變異系數達26.67%[35]。鑒定結果表明,18份種質資源各有表現突出的性狀,可在育種上利用。研究中種質資源棉花生育期屬于早中熟類型,株高都在中等高度,可為培育適合新疆早熟棉機械化耕作采收的棉花品種提供較好的親本。

18份國外種質資源中病情指數最低的是4號,病情指數為18.75;病情指數最高的為58.96;材料之間抗性差異比較大,并且抗病材料較少,多數為耐病材料。4號材料雖然抗性和產量非常好,但纖維品質一般,特別是馬克隆值比較差,可作為提高籽棉產量、高抗黃萎病備選親本。籽棉產量值得關注的是3、5、15號3份材料,抗性基本在耐病范圍,但籽棉產量較高,可作為產量改良備選親本。纖維上半部平均長度、整齊度指數隨著發病級別的增加而逐漸降低,對伸長率影響不大,斷裂比強度則因品種而有所不同。18份國外種質資源纖維品質整體較好。抗黃萎病、高產量、長絨、高整齊度指數、高斷裂比強度的種植資源可作為抗黃萎病高產育種及纖維品質改良的備選親本。

試驗結果表明,病情指數與株高、果枝始節、單株結鈴數、單鈴重、衣分、籽棉產量、纖維上半部平均長度、整齊度指數、斷裂比強度、伸長率呈負相關。黃萎病對籽棉產量,纖維品質都有很大的影響,因此選擇抗黃萎病材料,或培育抗抗病品種仍然是阻止黃萎病大發生的有效措施。

4 結 論

18份國外種質資源屬于中早熟性類型,株高均屬于中等株高;抗病材料6份,分別為2、4、6、9、11、16號;耐病材料8份;感病材料4份;籽棉產量較高材料5份;纖維品質較優材料3份,分別為1、9、11號,表現為長絨、高整齊度指數、高斷裂比強度,馬克隆值優。篩選出2份抗病高產優質種質資源分別為9號、11號。