小麦白粉病新抗源——基因Pm21

利用C-分带技术,从(扬麦4号或扬麦5号×6V代换系)F_2或M_3代选择的100个抗白粉病单株中,鉴定出17株涉及6VS/6AL易位。易位断点靠近着丝粒。易位系在MI平均每个PMC有0.00—0.80Ⅰ和20.69—21.00Ⅱ,易位染色体在中期Ⅰ基本配对成环状二价体,在细胞学上已稳定。不同小种不同菌系的白粉病鉴定表明,易位系在苗期和成株期均表现对白粉病免疫。在簇毛麦6VS上的抗白粉病基因不同于现有抗性基因,根据McIntosh的建议已将该基因定名为Pm21,并被收录于第八届IWGS小麦基因目录中。

基于基因特异性标记分析Pm21在中国冬小麦品种(系)中的分布

【目的】来自小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系的抗病基因Pm21对小麦白粉病具有持久和广谱抗性,开发该基因的特异性标记,分析其在全国冬麦区中的应用情况,为Pm21的合理布局及分子标记辅助选择育种提供理论依据和技术支撑。【方法】根据已克隆的与Pm21抗性途径紧密相关的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因Stpk-V的序列(GenBank登录号为HQ864471.1),提取其蛋白序列并利用Pfam软件分析其保守结构域起止位点,在其保守结构域外设计开发特异序列标记WS-1;构建Pm21载体品种92R137和感病品种Avcoet S(AvS)的F2群体,以小麦白粉病菌E09对该群体每个单株进行苗期抗白粉病表型鉴定,同时利用WS-1对F2群体进行分子检测,分析检测表型与抗病表型,以验证WS-1标记的准确性;利用WS-1标记对来自中国不同冬麦区的662份小麦品种(系)进行分子标记检测,分析Pm21在不同麦区小麦品种(系)的分布情况,并将检测到含有Pm21的品种(系)在田间进行抗白粉病鉴定;选取WS-1已检测到及没有检测到Pm21的品种(系)各50份,利用曹爱忠等开发的标记NAU/xibao15902进行PCR扩增,进一步证明WS-1的准确性。【结果】(1)开发的Pm21特异标记WS-1为显性标记,含Pm21的小麦材料在8%非变性聚丙烯酰胺凝胶中扩增出一条大小为949 bp的片段,而不含该基因的小麦材料中无该片段。(2)在包含377个株系的F2群体中,286个单株为抗病,91个单株为感病,抗感比符合3﹕1的分离比例,表明在该群体中Pm21表现为显性单基因,WS-1对F2群体的每个株系的检测结果与抗/感表型完全一致。(3)供试的662份小麦材料中,49份携带Pm21,平均分布频率为7.4%,其中,西南冬麦区中检测到33份,占该区参鉴品种(系)数的34.4%,而北部冬麦区、黄淮冬麦区和长江中下游冬麦区,分别检测到4份、9份和3份,各占该区参鉴品种(系)数的5.3%、3.1%和1.5%。【结论】开发的Pm21特异性标记WS-1可以作为该基因的检测标记,也可应用到今后的基因聚合育种中;该基因在不同麦区分布相差很大,其中,西南冬麦区四川、贵州省的小麦品种(系)中Pm21使用频率过高,有促进病原菌定向选择的风险,在当前小麦育种中应给以重视。

小麦抗白粉病基因Pm21分子标记辅助选择的应用

白粉病是威胁我国小麦生产最主要的病害之一。筛选和培育抗病品种是防治小麦白粉病的一条安全有效途径。Pm21是目前最有效的抗白粉病主效基因之一,加快其在小麦育种中的应用,对我国小麦生产具有重要的意义。本研究目的在于将普通小麦——簇毛麦易位系92R137中的抗白粉病基因Pm21导入农艺性状好、产量较高、较易感白粉病的农大系列小麦品种中。在92R137与农大系列小麦品种回交一代利用Pm21的SCAR1265标记进行检测,筛选出含有抗白粉病基因Pm21的单株,进行辅助育种应用的研究,经两次回交和两次标记辅助选择,从农大3291/92R137//农大32912组合后代中选出具有Pm21基因且产量性状好的品系13个,从农大3214/92R137//农大32142组合选出9个,从农大3213/92R137//农大32132组合选出35个,从农大3197/92R137//农大31972组合选出8个,从农大3383/92R137//农大33832组合选出15个,从农大3308/92R137//农大33082组合选出2个共计82个进入初步产量鉴定,根据初步产量结果和农艺性状表现选出9个优系参加2005年秋播产量试验。

小麦Pm21基因调控的白粉菌早期侵染抑制和寄主细胞反应

携带抗白粉病基因Pm21的小麦材料对白粉病免疫,叶片可见坏死斑。苗期人工接种小麦白粉菌(Blumeria graminis f.sp. tritici)和病原侵染初期的细胞学观察表明,在互作位点,携带Pm21基因的抗病材料上表皮细胞乳突形成时间与感病对照差异不明显,但乳突的大小、致密度、持续时间及乳突中H2O2染色较对照有明显差异,并由此显著降低白粉菌的侵入频率。抗病材料上发生多次侵染未成功导致白粉菌附着胞畸形。对于少数成功侵入并形成吸器的白粉菌,抗病材料表皮细胞发生过敏性反应,限制白粉菌吸器和二级菌丝的发展。因此,Pm21调控的白粉病抗病反应在细胞水平上表现为细胞壁加固和过敏性反应的发生。

含Pm21基因的次级易位创制及鉴定

小麦-簇毛麦6VS.6AL易位携带抗白粉病基因Pm21,对我国小麦抗白粉病育种做出了重要贡献。本文对162份四川小麦品种(系)的55KSNP芯片数据分析表明,25份含6VS.6AL易位染色体,占15.4%。重组位置和单倍型分析表明,这些材料的6VS.6AL均为着丝点易位、具有单一来源。根据系谱分析, 92R178为最原始的供体材料。利用由ph1b诱导6VS/6AS部分同源重组形成的,含Pm21基因的初级易位6VS-6AS.6AL和6AS-6VS.6AL为亲本,创制了1个含Pm21基因、6VS片段大幅减小的6AS-6VS-6AS.6AL次级易位。根据中国春参考基因组,该次级易位的2个重组位点,分别位于6A染色体53.1~53.8 Mb和90.7~92.2 Mb之间,易位片段大小在36.9~39.1 Mb之间。分子细胞学鉴定表明,ph1b诱导外源易位的同时,小麦自身的内源染色体也发生了大量易位,这影响易位系的遗传稳定和育种利用。为了解决这个问题,建议将ph1b基因突变系以杂合的形式进行长期保存。同时,在利用ph1b诱导小麦-外源易位的过程中,尽量减少ph1b纯合状态下的繁殖世代,以减少小麦内源染色体易位。育种利用时,应尽快消除小麦内源易位。

小麦—簇毛麦6VS/6AL易位染色体在不同小麦背景中的遗传稳定性及其在配子中的传递

为研究小麦-簇毛麦6VS/6AL易位染色体在不同小麦背景中的遗传稳定性及其在配子中的传递,利用高抗白粉病的普通小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系92R137与不抗白粉病的栽培品种百农64、百农9310、邯5310、小偃54、淮麦20、徐麦856进行杂交,并用这些品种分别与杂种F1进行正反回交。对杂种F1花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ的细胞学观察表明,在减数分裂中期Ⅰ易位染色体6VS/6AL通常以6AL与6A染色体配对形成棒状二价体。各杂种F1高抗白粉病,位于6VS上的抗白粉病基因Pm21呈显性,在F2中有69.0%-74.0%的植株抗白粉病,接近1对显性基因遗传的理论值。由于6VS与6AS在通常情况下不发生配对交换,因此可通过白粉病抗性鉴定并结合利用6VS上的分子标记来跟踪6VS/6AL易位染色体的传递。测交结果表明,以F1作母本6VS/6AL易位染色体通过雌配子的传递率为49.2%(45.8%-54.9%);以F1作父本6VS/6AL易位染色体通过雄配子的传递率为44.7%(43.1%-46.8%),均接近50%的理论值。但在各组合中,6VS/6AL易位染色体通过雄配子的传递率均低于通过雌配子的传递率。

中国小麦品种对白粉病的抗性反应与抗病基因检测

利用来自不同生态区的8个白粉菌菌株对20世纪80年代以来国家审定(认定)品种、近期参加国家区域试验的品系和核心种质等小麦材料进行抗病性评价,同时利用与Pm4a、Pm8和Pm21基因连锁的分子标记检测了相关抗病基因的存在。在148个国家审定品种中有16.9%的品种能够抗多个菌株,其中大多是近10年选育的品种。不同年代审定的品种中感病品种的频率均超过50%。各个小麦生产区抗病品种的频率高低与该地区白粉病的严重性和育种的关注程度有一定关系。在1160份小麦核心种质中抗E09菌株的地方品种和育成品种的比例只有3.4%和4.2%。西南冬麦区和新疆冬麦区入选的品种抗病频率较高,华南冬麦区、东北春麦区和北方春麦区没有发现抗E09菌株的品种。多菌株鉴定结果表明,263份微核心种质中33.7%的品种表现抗病性,其中大多数品种能够抗1～2个菌株,因此在核心种质的利用中应注意选用抗性强的品种作为轮回亲本,同时有必要构建抗白粉病的应用核心种质,以提高核心种质的利用效果。根据抗病基因分子标记检测结果,我国小麦品种有43.2%含有Pm8基因,该基因在区域试验参试品种中的频率也很高,特别是在黄淮麦区培育的品种中频率仍高达50%;Pm4a和Pm21基因主要出现在长江流域培育的品种中。有些抗性突出的品种可能含有其他抗病基因。

小麦-簇毛麦染色体代换系、易位系V染色体RAPD标记筛选

利用105条S系列和100条Operon随机引物,对小麦-簇毛麦代换系(6V／6A)、两个易位系(6VS／6AL,6VS／6DL)及亲本簇毛麦(VV)、硬粒小麦(AABB)、栽培小麦(AABBDD)的多态性进行了筛选分析。80.95％的S系列引物扩增出了结果,且条带较清晰;在100条OP系列引物中均扩增出结果,条带清晰可见。从205个随机引物中发现,只有1个引物OPW03在含有簇毛麦V染色体的4个材料中均扩增出1条约570 bp的谱带,而在栽培小麦和硬粒小麦中没有发现。因此,可以推测这个分子标记(OPW03-570)是位于簇毛麦V染色体短臂上的。