3个小麦条锈菌鉴别寄主的抗性遗传分析

姚占军1,2徐世昌1万安民1 吴立人1马峙英2

1中国农业科学院植物保护研究所,植物病虫害生物学国家重点实验室,北京100094;2河北农业大学,保定071001

摘要:根据对鉴别寄主的毒性谱,选用小麦条锈病菌生理小种2E16单孢菌系为接种病菌,鉴定了小麦条锈病菌鉴别寄主Chinese166、HeinesⅦ和Vilmorin23的抗性基因构成及其遗传特征。通过对3个鉴别寄主与感病品种铭贤169杂交,分别在苗期鉴定了亲代、F1、F2、BC1及正反交后代对小种2E16的抗性反应。结果表明:供试品种Chinese166对生理小种2E16的抗性由2对显性基因,即显性基因Yr1和另一对显性基因独立或重叠控制;HeinesⅦ对生理小种2E16的抗性由1对显性基因Yr2和1对隐性基因控制;Vilmorin23对生理小种2E16的抗性则由显性基因Yr3和1对隐性基因控制。

关键词:小麦;条锈病;鉴别寄主;遗传分析

Inheritance Analysis of Three Wheat Differential Hosts for Yellow Rust Resistance

YAO Zhan-Jun1,2,XU Shi-Chang1,,WAN An-Min1,Wu Li-Ren1,MA Zhi-Ying2

(1 Institute of Plant Protection, Chinese Academy of Agricultural Sciences, State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests

Beijing 100094; 2 Agricutural University of Hebei, Baoding 071001

 

AbstractSingle spore isolate, race 2E16 of Puccinia striiformis West is used for inoculation according to virulence spectrum to differential hosts for resistance to yellow (stripe) rust. For the composing and genetic characteristic of genes for resistance to yellow (stripe) rust, they are identified in three differential hosts Chinese166, HeinesⅦ and Vilmorin23. The seedling plants reactions to race 2E16 are assessed in the parents, F1, F2, BC1 and reciprocal cross generations from a set of crosses made between wheat 3 differential hosts and susceptible cultivar Mingxian169. The result shows that the proportions of resistant and susceptible plants obtained following inoculation of parents, F1, F2 and BC1 and reciprocal cross populations with race 2E16 indicate that two dominant genes, Yr1 and other dominant gene independently and overlappedly determine the reactions of Chinese 166 to race 2E16; Single dominant gene Yr2 and one recessive gene complementarily determine the reactions of HeinesⅦ to race 2E16 and one dominant gene Yr3 and one recessive gene complementarily determine the reactions of Vilmorin23 to race 2E16. In the identification, race 2E16 can differ from the resistance gene and be used as the standard isolates for the postulation of genes.

Key words: Wheat; Puccinia striiformis f.sp.tritic; Differential host; Genetic Analysis

 

小麦条锈病(Puccinia striiformis f.sp.tritic)是小麦生产上的主要病害之一,是由小麦条锈菌引起的世界性重要的低温型病害。中国是世界上最大的小麦条锈病流行区之一,条锈病是限制中国小麦生产的最严重病害之一,在条件适于其发生时会造成巨大的损失[1]。长期研究和实践证明,培育和推广抗病品种是持续控制病害流行为害最经济、安全、有效的措施[2]。逐步澄清抗病品种的抗病基因是合理有效地利用这些基因的前提[3]。小麦条锈菌生理小种的鉴别寄主由若干小麦品种或品系组成,作为鉴别寄主的品种(系)必须具有明确的鉴别力,能敏锐地反映条锈菌的毒性变异及其在生产上的作用,并对病菌反应比较稳定,不易受到环境条件如温度和光照等的影响[4]。目前已有4套鉴别寄主分别在欧洲(包括澳大利亚)、北美洲、印度和中国广泛使用。我国于40年代首先由方中达等用8个小麦品种进行小麦条锈菌生理专化研究。50年代汪可宁[5]等经过大量的鉴定和筛选,提出了一套由7个品种组成的鉴别寄主。随着小麦生产的

发展和小麦条锈生理小种组成的变化,我国鉴别寄主也不断调整和充实,一度达到24个品种,当前采用的一套鉴别寄主包括17个品种(系)。目前国际上已正式编号命名了32个小麦抗条锈病主效基因位点[6],多数是通过对鉴别寄主研究而命名的。Lupton[7]首次将条锈性基因定名,Yr1来源于Triticum aestivum,苗期抗病性为显性,基因载体为Chinese166,位于2A染色体上;Yr2来源于Triticum aestivum,苗期抗病性为显性,基因载体为HeinesⅦ,位于7B染色体上[6,8],用于Yr2致病性鉴定。Priestley将小麦品种对条锈病的专化抗性分为14个,命名为WYR1~14。其中WYR1~10为全期抗性,WYR11~14为成株抗性,WYR1载体为Chinese166,WYR2载体为HeinesⅦ,WYR3载体为Vilmorin23。本文通过对3个鉴别寄主对生理小种2E16苗期抗性的遗传研究,以明确其抗性基因数目、显隐性和遗传方式以及不同抗源携带抗性基因的异同,且将2E16小种作为标准菌系,通过3个鉴别寄主的抗谱比较,更有针对性的推导分析抗源材料的抗病基因。

1材料与方法

1.1试验材料

小麦条锈菌鉴别寄主Chinese166原产于中国;Heines原产于德国,系谱为HybrideACourte Paille/KronenVilmorin23原产于法国,系谱为Melbor/Grosse Tete//Japhet/Parsel;感病小麦品种为铭贤169,根据条锈菌系的毒性谱,选用2E16的单孢菌系,通过单孢分离、鉴定保存于液氮内的单孢菌系,于铭贤169上繁殖。供试材料由中国农科院植物保护研究所提供。

1.2试验方法

将各供试品种种子精选纯化,以Chinese 166Heines Ⅶ和Vilmorin23为父本与母本铭贤169配制杂交组合获得F1,再以铭贤169为母本与F1代回交,每个组合配制5~10个杂交穗(100~200粒),选择有代表性的F1代植株与铭贤测交5~10穗,获得测交一代(BC1)代。F1套袋自交,获得F2代。苗期抗性鉴定在人工控制的环境中进行,模拟小麦生育期间的自然条件,光照时间14h/d、光强20000LxRH75%。将供试材料播于直径10cm花盆中,置于温室,每套材料的双亲、F1代各播15~20粒,F2代播200~250,BC1代播40粒以上,15~20/盆。播种前用1%(V/VH2O2浸种、催芽,以保苗齐,当麦苗第一片叶全展时,用扫抹法接种,置于9±2℃接种间内黑暗保湿24h后转入空调低温温室内(温度为昼15~19℃,夜10~14℃)潜育发病,待感病品种铭贤169充分发病时调查侵染型,侵染型划分为11[8,9],即00;0;+11+22+3-33+4,并根据双亲、F1F2BC1和反交后代的侵染型级别及各级侵染型的数目确定抗感分离比例[10,11]

2结果分析

2.1 品种Chinese166对小种2E16的抗性遗传

采用经典遗传分析方法,以铭贤169为母本与Chinese166杂交、自交、测交,对其后代F1、F2、BC1代植株及双亲进行苗期抗性鉴定,表1。铭贤169至今尚未发现有抗条锈病基因,且对温度不敏感。参照小麦条锈病低温温室的鉴定结果及小麦条锈病苗期侵染型分级标准,0~2型划为抗病类,3~4型划为感病类,根据F1、F2、BC1代植株的抗性表现和分离比例,确定Chinese166对小种2E16的抗性基因组成及遗传特点。结果表明:铭贤169对2E16高度感病,侵染型为4,Chinese166抗病,侵染型为0;~1。二者杂交的F1代抗性表现与Chinese166基本一致,表明Chinese166对2E16的抗性为显性遗传。

F2代分离群体中,217株中有204株抗病株,侵染型为0~1,13株感病株,侵染型为3~4,卡方测验[12]符合15R:1S的理论比例(xc2=∣A-15a∣-82/15nA指抗病株数,a指感病株数,n指总株数,以下同,xc2{15:1}=0.0003, χ20.05,1=3.84, χc2{15:1}<χ20.05,1)。F1代与感病亲本回交的BC1代的72株中,分离出51株抗病株,侵染型为0~2-,21株感病株,侵染型为3~4,符合3R:1S的理论比例(xc2=∣A-3a∣-22/3nxc2{3:1}=1.256, χ20.05,1=3.84, xc2{3:1}<χ20.05,1 接受H0);说明Chinese166对小种2E16的抗性由2对显性基因(独立或重叠)控制。

 

1小麦品种Chinese166与铭贤169杂交的后代对2E16菌系的苗期抗性表现

Table 1 The seedling reaction to race 2E16 of Puccinia striiformis f.sp.tritic in Chinese166 × Mingxian169

亲本组合

Cross combinations

世代

Gene-

ration

侵染型

Infection types

抗感比

Ratio of

R to S

理论比例

Theoretical ratio(R:S)

xc2

χ20.05,1=3.84

0

0;

0;+

1

1+

2-

2

2+

3-

3

3+

4

Chinese166

P1

2

3

5

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mingxian169

P2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

 

 

 

Chinese166 / Mingxian169

F1

15

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1:0

 

 

F2

70

38

16

51

29

 

 

 

 

1

2

10

204:13

15:1

0.0003

 

BC1

12

21

9

6

1

2

 

 

 

7

6

8

51:21

3:1

1.256

Mingxian169指铭贤169.

2.2 小麦条锈病鉴别寄主的HeinesⅦ对小种2E16抗性遗传

选用2E16小种,在常温条件下对HeinesⅦ及其与铭贤169的正反杂交F1、F2、BC1代进行苗期抗性鉴定,表2。结果表明:在正交情况下,HeinesⅦ抗性表现为0~1型,感病亲本铭贤169表现为4型,HeinesⅦ与铭贤169杂交的F1代表现为抗病,侵染型为0~2。在其66株F2代分离群体中,有58株表现抗病,侵染型为0~0;+8株感病,侵染型3~4,卡方测验符合13R:3S的理论比例(xc2=∣3A-13a∣-82/63nxc2{13:3 }=0.9245, χ20.05,1=3.84, χc2{13:3}<χ20.05,1, F1代与感病亲本回交的BC1代的68株中,分离出48株抗病株,侵染型为0~2,20株感病株,侵染型为3~4,符合3R:1S的理论比例(xc2=∣A-3a∣-22/3nχ2{3:1}=0.4902,χ20.05,1=3.84, χc2{3:1}<χ20.05,1),表明在常温条件下HeinesⅦ对小种2E16的抗性由1对显性和1对隐性基因(独立或重叠)控制。

反交情况下,在其152株F2代分离群体中,有125株抗病,侵染型0~1,27株感病,侵染型3~4,卡方测验符合13R:3S的理论比例(xc2=∣3A-13a∣-82/63nxc2{13:3 }=0.0267, χ20.05,1=3.84, χc2{13:3}<χ20.05,1,表明反交条件下HeinesⅦ对2E16的抗性也由1对显性和1对隐性基因(独立或重叠)所控制。正反交分析结果一致,表明HeinesⅦ对2E16的抗性属核遗传。

2 亲本品种HeinesⅦ与铭贤169杂交后代对2E16菌系的苗期抗性表现

Table 2  The seedling reaction to race 2E16 of Puccinia striiformis f.sp.tritic in Heines Ⅶ×Mingxian169

 

亲本组合

Cross combinations

世代

Gene-

ration

侵染型

抗感比

Ratio of

 R to S

理论比例

Theoretical ratio(R:S)

xc2

χ20.05,1=3.84

Infection types

0

0;

0;+

1

1+

2-

2

2+

3-

3

3+

4

Heines Ⅶ

P1

4

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1:0

 

Mingxian169

P2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

0:1

 

HeinesⅦ/ Mingxian169

F1

6

4

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1:0

 

 

F2

25

19

14

 

 

 

 

 

 

2

3

3

58:8

13:3

0.9245

 

BC1

31

4

3

5

2

2

1

 

 

6

6

8

48:20

3:1

0.4902

Mingxian169/

HeinesⅦ

F1

5

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1:0

 

 

F2

63

26

36

 

 

 

 

 

9

6

7

5

125:27

13: 3

0.0267

 

 

2.3 品种Vilmorin23对小种2E16的抗性遗传

以铭贤169为母本与Vilmorin23杂交、自交、测交,对其后代F1、F2、BC1代植株及双亲进行苗期抗性鉴定,表3。结果表明:铭贤169对2E16高度感病,侵染型为4,Vilmorin23抗病,侵染型为0;~1。二者杂交的F1代抗性表现与Vilmorin23基本一致,说明Vilmorin23对2E16的抗性为显性遗传。F2代分离群体中,208株中有167株抗病株,侵染型为0~1,41株感病株,侵染型为3~4,卡方测验符合13R:3S的理论比例(xc2=∣3A-13a∣-82/63n, xc2 {13:3}=0.044, χ20.05,1=3.84, χc2{13:3}χ20.05,1 )。F1代与感病亲本回交的BC1代的136株中,分离出100株抗病株,侵染型为0~2-,36株感病株,侵染型为3~4,符合3R:1S的理论比例(xc2=∣A-3a∣-22/3n, xc2{3:1}=0.088, χ20.05,1=3.84, χc2{3:1}χ20.05,1);表明Vilmorin23对小种2E16的抗性由一对显性和一对隐性基因(独立或重叠)控制。

3  亲本品种Vilmorin23与铭贤169杂交的后代对2E16菌系的苗期抗性表现

Table 3  The seedling reaction to race 2E16 of Puccinia striiformis f.sp.tritic in Vilmorin23×Mingxian169

亲本组合

Cross combinations

世代

Gene-

ration

侵染型

抗感比

Ratio of

 R to S

理论比例

Theoretical ratio(R:S)

 

xc2

χ20.05,1=3.84

Infection types

0

0;

0;+

1

1+

2-

2

2+

3-

3

3+

4

Vilmorin23

P1

8

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mingxian169

P2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

8

2

 

 

 

Vilmorin23/ Mingxian169

F1

2

4

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F2

88

63

16

 

 

 

 

 

3

11

2

25

167:41

13:3

0.044

 

BC1

36

32

20

12

 

 

 

 

 

18

8

10

100:36

3:1

0.088

3讨论

本研究采用常规杂交方法,以重要小麦条锈菌鉴别寄主Chinese166、HeinesⅦ和Vilmorin23与冬性小麦感病品种铭贤169杂交、自交、测交,获反、正交F1、F2和BC1代种子。选用2E16单孢菌系,苗期抗性鉴定在人工控制的环境中进行,待感病品种铭贤169充分发病时调查侵染型,对其双亲及其杂交后代进行苗期抗性鉴定和统计分析,结果表明:供试品种Chinese166 对条锈菌生理小种2E16的抗性由两对显性基因独立或重叠控制;HeinesⅦ和Vilmorin23对小种2E16的抗性由一对显性基因和一对隐性基因独立或重叠控制。反交条件下HeinesⅦ对2E16的抗性也由1对显性和1对隐性互补基因所控制,正反交分析结果一致,表明HeinesⅦ对2E16的抗性属核遗传。所用铭贤169是完全感病品种,经50多年3万份标样鉴定至今尚未发现有抗条锈基因,故而以铭贤169作为感病亲本分析Chinese166、HeinesⅦ和Vilmorin23中的抗条锈基因。以抗病亲本品种Chinese166 HeinesⅦ、Vilmorin23和感病铭贤169构建的F1、F2及BC1群体亦可作为抗性基因标记群体[13]根据条锈菌系的毒性谱,选用经单孢分离、鉴定保存于液氮内的单孢菌系2E16,繁于铭贤169幼苗叶片。2E16采用了Johnson提出的二进制国际小种命名法命名的,即将国际和欧洲鉴别寄主分别按一定顺序给一个二进制的代表值,将国际鉴别寄主感病品种的代表值加在一起,写在第一位,第二位是E,第三位是欧洲鉴别寄主感病品种的代表值之和,即组成了如6E22、2E16和38E134等的国际小种号[14],其毒性基因为VYR7及VYR8,菌系来源于印度,可区分上述抗源的抗性基因鉴定筛选,并作为标准菌系用于基因推导分析。

基因载体品种Chinese166、HeinesⅦ和Vilmorin23对相应小种2E16均表现免疫,所以对于许多小种包括中国的条锈菌系CY23、CYSu-1、CY17、CY30、CY31丧失抗性的基因载体品种Chinese166、HeinesⅦ和Vilmorin23来说,生理小种2E16具有致病性相对较弱的特点,目前所知其毒性基因为VYR7及VYR8,故选用其作为鉴定小种。供试品种是欧洲小麦条锈病研究的抗源材料,虽然我国流行小种CY30和CY31对它们已具有致病性,但对不同小种有鉴别作用,可吸收和充实为我国鉴别寄主。 Chinese166 对条锈菌生理小种2E16的抗性由Yr1和另一对显性基因独立或重叠控制;目前所知巴基斯坦的两个品种‘Yecora’及‘WL711’亦含有Yr2,但对某些生理小种抗性反应型不同,HeinesⅦ为低抗,而‘Yecora’及‘WL711’为高感[15],说明HeinesⅦ除了含有Yr2还含一个抗性基因,即Yr2与1隐性基因独立或重叠控制对2E16的抗性,基因表现出显性遗传或隐性遗传两种模式有时是因鉴定小种的不同形成(McIntosh,1993),此外,YrSD(Strubes Dickkopf)包括1对主效基因和1对微效基因(或修饰基因),其中主效基因和HeinesⅦ(H7)、‘Heines peko’(HP)的主效基因相同,即Yr2,而H7和HP除了含有主效基因外,也含有1对微效基因(Calonec,1997)。Vilmorin23含有Yr3,为欧洲和澳大利亚鉴别寄主,与含有复等位基因Yr3a、Yr3b和Yr3c的载体品种不同,Vilmorin232E16的抗性由Yr31隐性基因共同控制对2E16的抗性。目前来看,Yr9外,Yr2Yrl也在小麦生产品种中高频率出现,主要是受长期使用前苏联品种牛朱特、高加索和山前麦以及罗马尼亚品种洛夫林10和洛夫林13等为亲本育种的影响。由于这些亲本中可能含有Yr2,在生产品种中也就出现Yr2较多见的现象,Yr1出现的较高频率可能主要是由于长期大量使用中国农家品种所致[16]。洛夫林13是我国小麦条锈菌的重要鉴别寄主,系谱为Skorospelka3B×HeinesⅦ,杨华安等[17]用基因推导方法确认其除携带有抗条锈基因Yr9外还含有其它未知基因,CY23Yr2有毒性,由此推断洛夫林13除了携带抗条锈基因Yr9外,另外的未知基因为来自HeinesⅦ的一对基因。

    在试验过程中,严格控制试验条件和合理确定抗感分类标准是关键。小麦的条锈病是一种低温病害,在一定的温度范围内,随着温度的增高,反应型降低,抗性会有所增强,在本试验中,菌种繁殖和苗期抗性鉴定是在人工控制的环境中进行,接种后,置于9±2℃接种间内黑暗保湿24h后转入空调低温温室内(温度为昼15~19,夜10~14)潜育发病,模拟小麦生育期间的自然条件,光照时间14h/d、光强20000Lx、RH75%。合理确定抗感分类标准也很重要,由于小麦对条锈病抗性遗传基础相对比较复杂,且显隐性多不完全,显隐偏向程度大小不同所以杂合株的表型可以表现为从0~4之间的各种类型,甚至还有严重度上的差异,如果划分确有困难,应通过F3进行系统检测。运用基因载体品种中抗性基因的回交转育,基因载体品种中抗性基因在回交转育过程中反应型有增高的趋势,这给转育后代的抗性鉴定带来一定的困难[18,19]。通常对于只含一对抗条锈基因的抗源,在其转育后代的抗性筛选中,应以选择免疫(0)或高抗(0;)个体为主;含有两对或两对以上抗条锈基因的抗源,其转育后代应分别选择免疫(0)、高抗(0;)和中抗(1~2)的单株。

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