小麦广谱抗白粉病基因Pm24种质创新

1．我国小麦白粉病危害情况

    小麦是世界上最重要的粮食作物之一，1/3的人口以小麦为主粮。小麦也是我国的主要口粮作物之一，其生产与保障国家粮食安全直接相关。小麦白粉病是由高度专化性寄生菌禾本科布氏白粉菌(Blumeria graminis f. sp. tritici)引起的真菌性病害，是危害小麦生产的重要病害之一。由于生产方式的转变、灌溉条件改善、化肥的施用量增加、主要推广品种缺乏有效的抗白粉病基因，小麦白粉病危害在我国小麦产区日益严重，常年发生面积在一亿亩左右(图1)，约占我国小麦播种面积的1/3，位居4种主要小麦病害年均危害面积之首，成为影响和限制我国小麦稳产、高产的主要障碍。

图1 我国4种主要的小麦病害危害情况 (中国农技推广中心数据)

2. 我国小麦育种中常用的抗白粉病基因

    发掘和利用多样化抗白粉病基因培育抗病新品种是防治白粉病最经济、安全、有效的途径。目前已经从普通小麦及其亲缘种和远缘种、属中发现了许多抗白粉病基因，正式命名的位点有Pm1–Pm69，其中有6个基因后来被证实是以前已经命名的抗白粉病基因或新等位基因，如Pm18(Pm1c)、Pm22(Pm1e)、Pm23(Pm4c)、Pm17(Pm8)、Pm31(Pm21)，或缺乏进一步研究证实(如Pm44)，目前确定有63个正式命名的抗白粉病基因位点，另外还有许多临时命名的抗白粉病基因和QTL位点。

表1 我国小麦育种中主要抗白粉病基因利用情况

    目前已经发现的抗白粉病基因抗性差异很大，部分基因如Pm12、Pm21、Pm24和Pm36抗性非常好，几乎抗我国所有的白粉病菌株(表1)。但由于Pm12基因载体品系携带拟斯卑尔脱山羊草6SS染色体片段，虽然经过遗传改良外源6SS片段已经缩小，但农艺性状还需进一步改良；携带簇毛麦6VS染色体片段的Pm21基因材料，在我国长江中下游麦区和西南麦区获得了广泛应用，但在黄淮小麦主产区仅有极少的审定品种，如金禾9123、国麦301等携带Pm21基因，可能是其6VS染色体片段较大，对产量等农艺性状有一定的影响；Pm36来源于野生二粒小麦，已经转入普通小麦遗传背景中，但农艺性状和产量水平还在进一步改良中。曾广泛应用的1RS/1BL易位系中Pm8基因由于病原菌毒性变化已“丧失”了抗性。目前我国小麦推广品种中频率较高且还有一定效果的抗白粉病基因主要是Pm2、Pm4、Pm21和Pm52等少数几个主效基因及其等位基因，另有部分品种携带成株期抗性基因Pm38/Lr34/Yr18/Sr57、Pm39/Lr46/Yr29/Sr58、Pm46/Lr67/Yr46/Sr55和Pmx/Lr27/Yr30/Sr2，而Pm2、Pm4和Pm52等抗病基因已经抗性降低或开始“丧失”抗性(表1)。因此，大部分已经发现的抗白粉病基因都还尚未在小麦育种中得到广泛应用，其主要的原因是这些抗白粉病基因尽管抗性突出，但因为来源于远缘种、小麦野生亲缘种和地方品种等，在产量、株高等重要农艺性状方面表现欠佳，育种家无法直接用作亲本进行杂交就选育出优良品系或品种。因此，急需通过杂交、连续回交、快速加代转育等技术，创制出抗病、高产、株型优良的创新种质用于抗病育种，提高我国小麦新品种白粉病抗性。

3. 小麦广谱抗白粉病基因Pm24

    我国小麦地方品种蕴含丰富的抗白粉病资源，部分地方品种经历了几千年的自然和人工选择仍然保持广谱和持久的抗白粉病的能力。上世纪80年代，中国农科院植保所对3441份小麦地方品种进行抗白粉病鉴定，发现了小白冬麦、白蚰蜒条、山疙瘩、蚂蚱麦、红蜷芒和游白兰等抗病基因资源(盛宝钦等 1992)。Huang等(1997)利用欧洲的白粉病菌接种鉴定，证明来源于中国的小麦地方品种齿牙糙和复壮30具有优异的白粉病抗性。

    Pm24最早发现于从我国河南卢氏县收集的小麦地方品种齿牙糙，为显性抗白粉病基因。起初，该基因通过单体分析定位于6D染色体上，之后利用AFLP和SSR标记将Pm24重新定位于1DS染色体近着丝粒处；Huang和Roder等又进一步加密Pm24遗传连锁图谱，将其定位于染色体1DS bin 0.70-1.00区段，位于SSR标记Xgwm789(Xgwm603)和Xbarc229之间6.0 cM的遗传区间，并找到与Pm24共分离的分子标记Xgwm1291。

    Pm24b来源于我国陕西小麦地方品种白葫芦，为显性抗白粉病基因。西北农林科技大学吉万全教授团队利用SSR标记将Pm24b定位于1DS染色体 bin 0.59-1.00区段，位于标记Xgwm603/Xgwm789和Xbarc229之间2.5 cM的遗传区间；多小种鉴定和等位性测验结果表明，Pm24b与Pm24是等位基因(Xue等2012)。

    MlHLT来源于我国陕西小麦地方品种葫芦头，为显性抗白粉病基因。我们课题组王振忠博士等(2015)利用小麦EST序列、中国春454测序contig序列、国际小麦测序协作组织释放的中国春探查(survey)序列、粗山羊草基因组草图序列和SNP标记延伸序列开发分子标记，将MlHLT定位于1DS染色体上标记Xwggc3026和Xwggc3148之间3.6 cM的遗传区间，对应粗山羊草13.4 Mb的基因组区域。同样MlHLT定位于染色体1DS bin 0.59-1.00区段，遗传连锁图谱比较表明MlHLT可能是Pm24与Pm24b的等位基因。

    进一步利用葫芦头、齿牙糙和白葫芦进行等位性测验，发现所有正反交组合[葫芦头×齿牙糙(4,517 F2), 葫芦头×白葫芦(4,318 F2), 齿牙糙×葫芦头(4,382 F2), 齿牙糙×白葫芦(4,590 F2)和白葫芦×葫芦头(4,692 F2)]的F2单株均高抗白粉病菌E09菌株，表明MlHLT、Pm24和Pm24b可能是等位基因或同一个基因(郭丽2016)。利用93个采集自全国各地的白粉病菌株对葫芦头、齿牙糙和白葫芦进行抗性评价，发现这3个地方品种对全部菌株都表现抗病性，且抗病反应型没有明显的差异，说明MlHLT、Pm24和Pm24b具有广谱白粉病抗性。随后，我们课题组陆平博士等图位克隆了葫芦头中的抗白粉病基因MlHLT以及齿牙糙和白葫芦中的Pm24和Pm24b，发现它们具有完全相同的序列，是同一个基因，编码具有串联激酶结构域的新型抗病蛋白WTK3(Wheat Tandem Kinase 3)，该基因第5个外显子上的一个6 bp的缺失，导致所编码蛋白有2个氨基酸的缺失，赋予了Pm24基因对目前收集到的白粉菌生理小种均具有抗性，且该6 bp缺失是只存在于我国小麦地方品种中的稀有变异。之后根据此6 bp序列变异开发了特异检测Pm24基因的功能标记(图2)，为其分子机理解析和分子标记辅助选择育种创造了条件(Lu et al. 2020)。

图 2 Pm24基因功能标记(分子量小的条带为携带Pm24基因材料)

4. 小麦广谱抗白粉病基因Pm24种质创新

  葫芦头等Pm24基因载体品种植株高大，易倒伏，为了改良其农艺性状，我们课题组陈永兴博士选用了黄淮麦区高产品种(系)农大399、农大2011、良星99、济麦39、济麦22、科麦1609、中科331、中科1656等与葫芦头进行杂交和有限连续回交(回交1-4次)，结合后代分离群体分子标记辅助选择、温室与田间白粉病抗性鉴定、以及田间农艺性状选择，创制出了多份综合农艺性状显著改善，株型和产量水平达到或接近黄淮麦区主栽品种的携带Pm24基因高产抗白粉病ZKPm24系列新品系(表2，图3)。

表2 广谱抗白粉病基因Pm24创新种质小区产量比较结果(河北高邑  2023)

    在今年合肥召开的第八届全国小麦遗传育种研讨会暨第十一届全国小麦基因组与分子育种大会和郑州召开的“一麦众承”第一届全国种质资源交流暨育种研讨会上，我们向全国的育种家发放了创新的抗白粉病Pm24基因新种质材料ZKPm24，期望全国的育种家一起努力，将Pm24基因尽快应用于小麦育种中，创制新的抗白粉病品种，改变小麦育种中缺乏优异抗白粉病基因的局面。

图3 抗白粉病基因Pm24创新种质在河北高邑田间表现