偃麦草抗白粉病基因发掘(一)

长期以来，小麦野生近缘种属因其蕴藏着丰富的优异基因资源在小麦遗传改良中发挥着重要的作用。在我国的小麦遗传与远缘杂交育种研究中，取得成效早、成就最大的当属小麦与偃麦草的远缘杂交。偃麦草属(Thinopyrum)是禾本科小麦族(Triticea)重要的一个多年生属，有30-40个种，分布于寒温带地区，为重要的牧草。偃麦草属物种具有异花授粉、强冬性、长日照和多年生特性，还具有多花、多实、蛋白含量高、耐寒、耐旱、耐盐碱和抗病(锈病、黄矮病、条纹花叶病和白粉病等)等优异农艺性状，是麦类作物遗传改良重要的种质资源。成功与小麦进行远缘杂交的偃麦草属物种主要有六倍体中间偃麦草(Th. intermedium; 2n = 6x = 42)和十倍体长穗偃麦草(Th. ponticum, 2n = 10x = 70)等。

图1 长穗偃麦草

    小麦与偃麦草杂交的首创者是前苏联的齐津院士，他通过偃麦草改良小麦，并育成了小麦-冰草杂种599和186等新的小麦品种。美国、加拿大及印度等国家也进行着小麦与偃麦草的杂交工作。我国关于小麦与偃麦草的杂交工作是始于解放后学习苏联先进经验。我国著名小麦育种学家孙善澄先生于1953年开始了中间偃麦草的利用研究，创制出小麦-中间偃麦草八倍体小偃麦中1、中2、中3、中4和中5等以及多个小麦-偃麦草染色体异附加系、异代换系和六倍体小偃麦(孙善澄 1987)。“中国小麦远缘杂交之父”李振声先生自1956年开始系统开展了小麦与长穗偃麦草的远缘杂交工作(李振声等 1962)，并育成了“小偃”号系列品种，奠定了小麦染色体工程育种的基础。目前已经从偃麦草属中鉴定出了多个抗白粉病基因，如中间偃麦草中的抗白粉病基因Pm40、Pm43、PmCH83、PmCH89、PmL962和PmCH7124，长穗偃麦草中的抗白粉病基因Pm51，本文将主要介绍偃麦草属中正式命名的三个抗白粉病基因。

1. 小麦抗白粉病基因Pm40

四川农业大学任正隆教授课题组首先利用八倍体小偃麦TAI7047(系谱为太原768/中间偃麦草Z1141//76(64))与小麦品种川麦107杂交，在F₅代筛选出抗病材料Yuan24和Yuan25。之后又利用绵阳11和Yuan25杂交，在F₄代筛选出抗病材料GRY19。利用当地流行的白粉菌菌株E15对上述材料进行苗期鉴定，结果表明中间偃麦草、八倍体小偃麦TAI7047、小麦品系Yuan24、Yuan25和GRY19对白粉菌免疫(IT 0)，而小麦亲本材料川麦107、太原768、76(64)和绵阳11均对其高度感病(IT 4)。由此推断抗病品系Yuan24、Yuan25和GRY19中的抗白粉病基因来源于中间偃麦草。

罗培高等(2009)利用绵阳11与GRY19构建杂交组合，结果显示F₁代全部抗病，说明GRY19中抗白粉病基因为显性。接着对396个F₂代单株进行鉴定，结果显示抗病与感病的分离比符合3:1；对213个F₃代家系进行鉴定，纯合抗病：杂合抗病：纯合感病的比例为1:2:1；F₁与感病亲本绵阳11回交，BC₁F₂家系显示杂合抗病与纯合感病的比例为1:1；F₁与抗病亲本GRY19回交，BC₁F₂家系显示纯合抗病与杂合抗病的比例为1:1。综合以上结果判断GRY19中存在单显性抗白粉病基因(表1，Luo et al. 2009)。

表1 GRY19中抗白粉病基因遗传分析(Luo et al. 2009)

利用683个SSR标记扩增GRY19、绵阳11以及F₂代抗病与感病混池基因组DNA，结果有5个标记Xgwm297、Xwmc335、Xwmc364、Xwmc426和Xwmc476在亲本及抗感混池中存在多态性，表明这5个标记可能与GRY19中抗病基因连锁。经在分离群体上进行验证，构建了该抗白粉病基因的遗传连锁图谱(图2)。由于这5个SSR标记均定位在7BS染色体上，所以推断该基因也定位于7BS染色体上，并正式命名为Pm40(Luo et al. 2009)。

图2 抗白粉病基因Pm40的遗传连锁图谱(Luo et al. 2009)

通过构建3420个F₂遗传分离群体，对Pm40基因进行了精细定位，最终将Pm40基因定位于分子标记Xwmc355和BF291338之间0.94 cM 遗传区间，对应中国春物理区间含有164个基因(图3；唐圣雯，2018)。含有Pm40基因的小麦-中间偃麦草品系在四川、河南、山东、河北和福建等地进行多年多点白粉病抗性鉴定表现出高抗或免疫。中国农科院对Pm40进行白粉菌多小种鉴定结果显示该基因对我国不同生态区的28个白粉菌生理小种表现高抗，说明Pm40是一个广谱抗白粉病基因，可作为小麦野生近缘种属来源的优异抗白粉病基因，为我国小麦白粉病防治提供新的抗源。此外，他们还培育了一批含有Pm40的小麦新品系，如L658 (PI 672537)、L693 (PI 672538)、L696(PI672539)和L699(PI672540)，均具有良好的农艺性状，如株高、产量指数、穗重和千粒重，同时还含有抗条锈病基因YrL693及抗赤霉病基因FhbL693a和FhbL693b(唐圣雯等，2018)。

图3 抗白粉病基因Pm40的精细作图(唐圣雯 2018)

2. 小麦抗白粉病基因Pm43

山西农科院畅志坚研究员课题组利用八倍体小偃麦TAI7045(系谱为太原768/中间偃麦草Z1141//晋春5号)与小麦品系76216-96杂交，再用京411杂交和回交一次，从BC₂F₄代中筛选出纯合材料CH5025和CH5065。利用4个白粉菌菌株E09、E20、E21和E26对上述所用到的材料进行苗期抗病鉴定，结果显示中间偃麦草Z1141、八倍体小偃麦TAI7045和CH5025均表现为抗病，而其余小麦亲本及CH5065均表现为感病，推断CH5025中的抗白粉病基因来源于亲本中间偃麦草Z1141。

CH5025对E09菌株表现为抗病，而CH5065和晋太170对E09菌株表现为感病，分别构建CH5025和CH5065以及CH5025和晋太170两个杂交组合的分离群体。抗病鉴定结果显示，上述两个杂交组合F₁代均表现为抗病，F₂代抗病与感病的分离比均符合3:1，CH5025/晋太170*2的回交BC₁代抗病与感病的分离比符合1:1，结果表明CH5025含有单显性抗白粉病基因(表2)。

表2 CH5025白粉病抗性遗传分析结果(He et al. 2009)

利用CH5025与CH5065的F₂代分离群体对CH5025中抗白粉病基因进行定位。首先利用349个SSR标记扩增两个亲本及抗病和感病混池基因组DNA，结果仅有1个标记Xwmc41在两个亲本及抗感混池中存在多态性。考虑到该标记之前定位到2DL染色体，因此又利用2DL上54个SSR标记进行扩增，最后筛选到4个与抗病基因连锁的标记，分别为Xcfd233、Xbarc11、Xgwm539和Xwmc175。利用这5个SSR标记扩增F₂代177个单株基因组DNA，最后构建了CH5025中抗白粉病基因的遗传图谱。考虑到SSR标记并非染色体特异，因此用中国春端体系Dt2DL和缺体-四体系N2DT2A进行验证，结果表明，Xcfd233、Xbarc11、Xgwm539和Xwmc41均能在中国春端体系Dt2DL中扩增，但在缺体-四体系N2DT2A中无扩增产物，由此判断抗白粉病基因位于2DL染色体上，介于标记Xwmc41和Xbarc11之间，并正式命名为Pm43(图4; He et al. 2009)。

 图4 抗白粉病基因Pm43的遗传连锁图谱(He et al. 2009)  

3. 小麦抗白粉病基因Pm51

畅志坚研究员课题组还利用八倍体小偃麦小偃7430(系谱为Misuizao/长穗偃麦草R431//Xiangyang 4)与普通小麦品种杂交回交，从Zhong 8701/小偃7430//2*Jimai 26的BC₂F₅代中筛选出新品系CH7086和CH5241。利用白粉菌菌株E09、E20、E21和E26对上述材料进行抗性鉴定，结果显示长穗偃麦草R431对四个菌株表现为免疫，小偃7430和CH7086对四个菌株表现为免疫或近免疫，其余小麦亲本及CH5241均表现为感病(表3)。由此推断CH7086的抗白粉病基因来源于亲本长穗偃麦草。对CH7086进行荧光原位杂交(GISH)，没有发现偃麦草外源染色体片段，推断可能为长穗偃麦草的抗性基因渗入到CH7086基因组中。

表3 小偃7430等品系的白粉病抗性(Zhan et al. 2014)

利用渗入系CH7086分别与感病小麦品系Taichung 29、CH5241、SY95-71和Jintai 170构建遗传群体，利用E09进行苗期接种鉴定，F₁均表现抗白粉病，F₂代中抗病与感病的分离比符合3:1。CH7086/Taichung 29与CH5241/CH7086的F_2:3代呈现纯合抗病：杂合抗病：纯合感病为1:2:1的分离比(表4)。由此判断CH7086的白粉病抗性由单显性基因控制，暂命名为PmCH86。

 表4  小麦品系CH7086的白粉病抗性遗传分析(Zhan et al. 2014)

利用SSR标记筛选CH5241/CH7086的F₂代群体基因组，结果共有5个标记Xgwm47、Xwmc332、Xwmc317、Xwmc817和Xbarc159与该抗白粉病基因共分离。这5个标记均位于2BL染色体，由此推断PmCH86也位于2BL染色体上。利用中国春缺体系进一步验证，确定该基因位于2BL末端。进一步利用11个STS和EST-STS标记扩增F₂代群体基因组DNA，得到PmCH86的物理及遗传图谱(图5)。

根据前人研究结果，小麦2BL染色体与水稻4号染色体长臂、短柄草5号染色体长臂共线性。经序列比对，该基因所在的区间与水稻4L染色体214 kb，短柄草5L染色体198 kb区间部分同源(图5)。

图5 小麦抗白粉病基因Pm51的遗传和比较遗传图谱(Zhan et al. 2014)

小麦品系Timgalen含有抗白粉病基因Pm6，通过构建CH7086与Timgalen的F₂代分离群体，利用菌株E15进行接种鉴定，结果表明两者为不同的抗病基因。利用PmCH86与各分子标记的遗传距离和其余抗病基因进行比较，发现该基因与目前已发表的基因均不同，因此该基因正式命名为Pm51。

参考文献

1. 李振声，陈漱阳，刘冠军，李荣玲 (1962) 小麦与偃麦草远缘杂交研究. 科学通报 13(4):40-42
   

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3. 唐圣雯 (2018) 小麦抗白粉病基因Pm40的精细定位. 四川农业大学硕士学位论文.

4. 唐圣雯, 胡玉亭, 钟胜福, 罗培高 (2018) 抗白粉病基因Pm40在我国“后Pm21时代”小麦育种中的重要作用. Engineering 4(4): 500-506.

5. Luo PG, Luo HY, Chang ZJ, Zhang HY, Zhang M, Ren ZL (2009) Characterization and chromosomal location of Pm40 in common wheat: a new gene for resistance to powdery mildew derived from Elytrigia intermedium. Theor Appl Genet 118:1059-1064

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7. Zhan HX, Li GR, Zhang XJ, Li X, Guo HJ, Gong WP, Jia JQ, Qiao LY, Ren YK, Yang ZJ, Chang ZJ (2014) Chromosomal location and comparative genomics analysis of powdery mildew resistance gene Pm51 in a putative wheat-Thinopyrum ponticum introgression line. PLoS One 9:e113455

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