小麥抗條銹病和抗肺病基因的導入及選育

小麥抗條銹病和抗肺病基因的導入及選育

高產和優(yōu)質是糧食生產中對品種的最終要求，而病蟲害是限制糧食生產的主要因素之一。小麥抗病育種研究的歷史表明,突破性品種的育成在于關鍵性基因的發(fā)現(xiàn)和育種材料的創(chuàng)造利用。小麥-黑麥1B/1R易位系對世界小麥的生產做出了巨大貢獻,許多國家小麥品種中的1B/1R易位系頻率較高。我國從歐洲引入的洛夫林、阿芙樂爾、山前、高加索等含1B/1R的“洛類”抗源,因為高抗條銹、葉銹、稈銹和白粉病而被廣泛用于小麥育種中。20世紀80年代至90年代以“洛類”及其衍生系的利用為主,全國育成了大批高產、抗病小麥品種,并在生產上發(fā)揮了巨大作用。如江蘇農業(yè)科學院育成的蘇麥3號,因其穩(wěn)定的抗赤霉病特性,至今仍在世界抗赤霉育種中發(fā)揮著不可替代的作用;在抗白粉病育種研究中,南京農業(yè)大學、貴州農業(yè)科學院、中國農業(yè)科學院、山東農業(yè)科學院等利用簇毛麥、偃麥草、節(jié)節(jié)麥等創(chuàng)造出了抗白粉病的種質和品種。在抗病小麥種質創(chuàng)制中,許多材料為普通小麥與外源種屬的雙二倍體、附加系、代換系和易位系,這些種質存在農藝性狀不良或品質偏差,導致創(chuàng)制的抗病種質資源難以在小麥育種中直接利用。西北農林科技大學農學院小麥研究所生物技術研究室從20世紀70年代開始,以抗條銹病或抗白粉病小麥近緣種屬黑麥(Secalecereale)和野生二粒小麥(Triticumdicoccoides),以及含有中間偃麥草(Thinopyrumintermedium)、簇毛麥(Haynaldiavillosa)和小傘山羊草(Aegilopsumbellulata)的雙二倍體、代換系或易位系為抗源,與農藝性狀優(yōu)良或優(yōu)質小麥品種雜交,通過Ph基因效應、Co60輻射等方法誘導易位,其雜交后代進行抗條銹病或抗白粉病性定向選擇,創(chuàng)制農藝性狀優(yōu)良的抗病種質;進而將創(chuàng)制的不同抗源的種質與農藝親本采用不同雜交方法進行組配,使優(yōu)異基因累加、聚合,選育小麥新品種(系),為豐富小麥育種的抗病親本材料,選育抗病或優(yōu)質抗病小麥品種奠定了基礎,現(xiàn)將相關研究結果報道如下。1材料和方法1.1小麥原料和二粒小麥染色體工程材料:中國春5B單體和阿勃非整倍體;小麥近緣種屬材料,奧地利黑麥和野生二粒小麥AS846;含有近緣種屬抗性基因的材料:小麥-中間偃麥草八倍體中4,中5,小麥-簇毛麥二體異代換系V2和易位系92R149,四倍體小麥-小傘山羊草雙二倍體Am9;普通小麥材料:84(加)79、陜優(yōu)225、陜麥893、小偃6號、陜160、中國春、6811(2)、百泉3217、咸87(30)、陜229、矮早豐和小偃22。其中野生二粒小麥AS846引自四川農業(yè)大學小麥所資源室;小麥-簇毛麥二體異代換系V2和易位系92R149引自南京農業(yè)大學細胞遺傳研究室;四倍體小麥-小傘山羊草雙二倍體Am9引自中國農業(yè)科學院品種資源研究所;其余材料均由西北農林科技大學農學院小麥所生物技術研究室保存和提供。1.2選育抗病品種以染色體工程材料、普通小麥材料與小麥近緣種屬材料或含有近緣種屬抗性基因的材料雜交,通過Ph基因效應和Co60輻射等方法誘導易位,雜交后代進行抗病性定向選擇,創(chuàng)制抗病種質;進而將創(chuàng)制的不同抗源種質與農藝親本采用不同雜交方法進行組配,使優(yōu)異基因累加、聚合,選育小麥新品種(系)。雜交各世代病害鑒定時,采用多個條銹菌生理小種混合菌種和白粉菌混合菌種接種,定向選擇抗病單株。N9207,N9209,N9134,陜麥8003,陜麥8007,陜麥150由原陜西省農科院植保所進行條銹病和白粉病的苗期及成株期鑒定;N9628-1,N9628-2,N9659,遠豐175和陜麥139由西北農林科技大學植保學院進行條銹病和白粉病的苗期及成株期鑒定,其中條銹病分小種鑒定,白粉病用關中地區(qū)白粉菌混合菌系接種鑒定。N9659和N9628-1的品質指標由西北農林科技大學農學院小麥所品質室測定;遠豐175和陜麥139的品質指標由農業(yè)部谷物及制品質量檢測中心(哈爾濱)測定。2結果與分析2.1用外源材料創(chuàng)造抗病小麥的基質2.1.1小麥屬植物的生長和抗性以阿勃非整倍體為母本與野生二粒小麥AS846雜交,創(chuàng)制出抗病種質N9134。以野生二粒小麥AS846與84(加)79雜交選育的抗病中間材料為父本與陜優(yōu)225雜交創(chuàng)制出優(yōu)質、抗病種質N9659。N9134屬半冬性,株高80cm,株型緊湊,葉片小而挺,分蘗力強,長芒、紅殼、白粒、粉質,千粒重42g。對條銹菌生理小種條中29、條中30、條中32、水源11-5和水源11-13反應型均為0,對陜西關中地區(qū)白粉混合菌系表現(xiàn)免疫。N9134的白粉病抗性遺傳分析結果表明,N9134抗性由位于小麥5B染色體的單顯性基因控制;分子標記鑒定表明,N9134含有野生二粒小麥AS846的遺傳物質。N9659屬半冬性,株高80cm,株型緊湊,葉色深綠、葉片窄挺,分蘗力強、成穗率高;長芒、白粒、籽粒外觀近似硬粒小麥,千粒重39g。容重806g/L,籽粒蛋白質含量199g/kg,濕面筋含量396g/kg,沉降值30.7mL,面團形成時間21.0min,穩(wěn)定時間17min。對條銹菌生理小種條中31、條中32和水源11-14反應型均為0,對陜西關中地區(qū)白粉菌混合菌系表現(xiàn)免疫。說明N9659是優(yōu)質、兼抗小麥條銹病和白粉病的種質材料。2.1.2種內生長n293以抗白粉病、條銹病的小麥-簇毛麥二體異代換系V2為母本與感白粉病的陜麥893雜交,后代在白粉病病圃和選種田交替種植,選擇農藝性狀優(yōu)良的抗病單株,創(chuàng)制出農藝性狀較好的新種質N9207。該種質葉片小而上挺,分蘗力中等,株高70~80cm,莖桿有明顯蠟粉,長芒、白粒、角質,千粒重40g左右。對條銹菌生理小種條中29、條中30、條中31、條中32、水源11-5和水源11-13反應型均為0;對陜西關中地區(qū)白粉菌混合菌系表現(xiàn)免疫。以小麥-簇毛麥二體異代換系V2為母本與感白粉病的小偃6號雜交,雜交收獲種子用Co60輻射后,后代連續(xù)自交,并在白粉病病圃和選種田交替種植,選擇抗病單株,創(chuàng)制出農藝性狀較好的新種質N9209。該種質株型緊湊,葉片小而上挺,分蘗力中等,株高70~80cm,葉色深綠,長芒、白粒、半角質,千粒重35~38g。對條銹菌生理小種條中29、條中30、條中31、條中32、水源11-2和水源11-13反應型均為0;對陜西關中地區(qū)白粉菌混合菌系表現(xiàn)免疫。2.1.3條銹菌生長特性用高感白粉病小麥品種陜160與免疫白粉病材料四倍體小麥-小傘山羊草雙二倍體Am9雜交,F1代用陜160回交,后代采用選種圃與白粉病病圃選擇相結合,創(chuàng)制出新種質N9628-1和N9628-2。N9628-1株型緊湊,分蘗力中等,株高80cm;長芒、白粒、角質,落黃好;千粒重約42g。粗蛋白含量178g/kg,沉降值54.9mL,濕面筋含量406g/kg,干面筋含量133g/kg,形成時間4.2min,穩(wěn)定時間4.8min。對條銹菌生理小種條中31、條中32和水源11-14反應型均為0。N9628-2幼苗直立,葉片較寬長、色淺,株型較緊湊,分蘗力中等,株高80cm左右,長芒、紅粒、粉質,千粒重約42g。對陜西關中地區(qū)白粉菌混合菌系表現(xiàn)免疫。2.2采用外源材料培育小麥品種2.2.1u3000西北麥麥以中國春5B單體為母本,奧地利黑麥作父本進行雜交,F1代用中國春回交,后代連續(xù)自交,經大群體篩選選育出陜麥8003,1993年通過陜西商洛地區(qū)審定。曾在陜西關中及陜南淺山區(qū)條銹病重發(fā)區(qū)大面積推廣種植。陜麥8003屬半冬性,葉片上挺,株型較緊湊,株高82cm,分蘗力強,成穗率高;穗長方形,長芒、白殼、白粒,千粒重38g。對條銹菌生理小種條中28、條中29和條中30免疫,高抗葉枯病,感染白粉病和赤霉病。2.2.2條銹菌生長特性以小麥-中間偃麥草八倍體中5為母本與6811(2)雜交,后代經系譜選擇,選育出陜麥8007,1993年通過陜西商洛地區(qū)審定。曾在陜西關中和陜南條銹病重發(fā)區(qū)大面積推廣種植。陜麥8007屬半冬性,葉片較短、上挺,株型緊湊,株高80~85cm,分蘗力強,穗紡錘形,無芒、白殼、白粒,千粒重40g。對條銹菌生理小種條中28、條中29和條中30免疫。以小麥-中間偃麥草八倍體中4、中5為條銹病抗源和優(yōu)質源,用中4/6811(2)的F7代穩(wěn)定抗條銹易位系與選自百泉3217/中5//百泉3217的抗條銹附加系8435-1-1-8雜交,F1與廣適型優(yōu)質感銹農藝親本小偃6號雜交,后代在水地和旱地交替選擇,1996年育成陜麥150,1999年通過陜西省品種審定。陜麥150屬半冬性,耐旱抗寒,分蘗力強,成穗率高;株高85cm左右,莖桿彈性好,抗倒伏能力強;基部葉片偏長,旗葉短、平展,后期通風透光好;白粒、全角質,千粒重45g,加工品質優(yōu)良。對條銹病抗性好,中抗白粉病和赤霉病,輕感葉枯病;早熟,落黃好。2.2.3農作物品種品質以抗條銹病和白粉病的小麥-簇毛麥易位系92R149為抗源,與無芒大穗材料咸87(30)雜交,F1代再與優(yōu)質感銹農藝親本小偃6號雜交,后代采用選種圃和病圃選株及籽粒品質篩選相結合,2002年育成遠豐175,2005年通過陜西省農作物品種審定。遠豐175屬弱冬性,耐寒抗旱,分蘗力強,成穗率高,葉片中寬較挺,株高75~80cm,株型緊湊,莖桿粗壯抗倒伏,長芒、白殼、白粒,千粒重40g,落黃好。籽粒容重806g/L,粗蛋白質含量152.0g/kg,濕面筋319g/kg,沉淀值48.8mL,面團形成時間10.2min,穩(wěn)定時間16.4min,面包體積810mL,面包總評分90.0分,檢驗樣品符合國家GB/T17892-1999優(yōu)質小麥強筋小麥指標。對條銹菌生理小種條中31、條中32、水源11-14及太白4號表現(xiàn)免疫。2.2.4u3000有效選育抗病品種為了選育能持久抗耐多種病害的小麥核心種質和品種,將利用奧地利黑麥、小麥-中間偃麥草八倍體中4和野生二粒小麥為抗源創(chuàng)制的陜麥8003,陜麥8007,N9134和野生二粒小麥AS846,農藝親本陜229、矮早豐、小偃22等采用復合雜交、階梯式雜交、回交等方法進行雜交。組配方式為:小偃22/6/[野生二粒小麥AS846//(陜麥8003/陜麥8007)F4/3/陜229/4/矮早豐]F3/5/N9134。使優(yōu)異抗性基因累加、聚合,通過農藝性狀的改良和綜合選擇,育成多抗、高產、優(yōu)質、廣適的小麥新品系陜麥139。陜麥139屬半冬性,分蘗力強,成穗率高;株高80cm,株型緊湊,葉片短窄挺,葉色深綠,抗倒伏;長芒、白殼、白粒,千粒重42g左右,落黃好。2004~2006年度陜西省品種區(qū)域試驗最高產量8725.5kg/hm2,平均產量7539.0kg/hm2,較小偃22增產4.0%,表明陜麥139具有良好的豐產性。2004和2005年條銹病抗性鑒定表明,陜麥139對條銹菌生理小種條中31、條中32、水源11-14及太白4號反應型均為0。2003年白粉菌混合菌系人工接種鑒定表明,對白粉病表現(xiàn)高抗(9級標準的3級)。赤霉病鑒定結果為自然誘發(fā)病穗率30%,病情指數23.3,單小花接種反應指數4.9,自然誘發(fā)達到中抗水平。葉枯病田間為高抗。鑒定結果表明,陜麥139是抗耐多種病害的品系,達到了預期的選種目標。農業(yè)部谷物及制品質量檢測中心(哈爾濱)2005年分析結果表明,陜麥139容重815g/L,角質率99%,蛋白質含量163.6g/kg,濕面筋含量379g/kg,沉淀值30mL,粗淀粉788g/kg,直鏈淀粉占淀粉總量的29.88%,面團形成時間3.3min,穩(wěn)定時間2.7min,最大拉伸阻力195EU,延伸性21.4cm;面條試驗色澤評分7.8,總評分85.8。國家精制級和普通級面條評分分別為≥85分和75分,表明陜麥139面粉達到國標精制級面條用小麥粉標準,面條色澤白,口感品質好,麥香味濃,適合制作高級面條。2002年冬季在云南加代時,灌漿期由于干熱風頻繁,小偃22等材料青干成熟,而陜麥139落黃好;陜麥139對光、溫變化適應范圍廣,在云南主莖分蘗熟期整齊一致,發(fā)育良好;在青海春播種植,陜麥139前期生長穩(wěn)健,春化完成后拔節(jié)-抽穗-成熟生長發(fā)育快,落黃好。陜麥139在3個不同麥區(qū)、不同氣候和栽培條件下均表現(xiàn)突出,表明該品系適應性強,適應范圍廣。3抗條銹病基因的互作和聚合病原菌新小種的出現(xiàn)導致抗病親本和品種喪失抗性,為了應對病原菌小種的不斷變化,小麥育種者必須不斷尋找新的抗源。小麥近緣種屬是一個龐大的基因庫,擁有十分豐富的栽培小麥所不具備的優(yōu)良基因,是小麥改良的重要種質資源。西北農林科技大學農學院小麥所生物技術研究室,利用小麥近緣種屬創(chuàng)制出了N9134,N9659,N9207,N9209,N9628-1和N9628-2等多種抗源的小麥抗病親本,育成了陜麥8003,陜麥8007,陜麥150和遠豐175等小麥品種,將不同來源抗性材料采取復合雜交、階梯式雜交等組配方式使其抗性基因累加、互作逐步聚合到同一受體中,育成了抗耐多種害病的高產、優(yōu)質面條小麥陜麥139。陜麥139對當前流行的條銹菌生理小種全部免疫,而親本組配中