24 个水稻抗稻瘟病单基因系的抗性评价与利用前景分析

李小娟，彭建，文吉辉，于江辉，周小平，余成，朱艳，肖友伦∗

(1 湖南省植物保护研究所，湖南 长沙 410125；2 常德市农林科学研究院，湖南 常德 415000；3 湖南金色农华种业科技有限公司，湖南 长沙 410128)

水稻是我国最重要的粮食作物，稻瘟病是危害我国水稻生产的3 大病害之一，一般引起水稻减产20%～30%，严重情况下可减产50%以上甚至绝收[1]。湖南省隶属长江中下游稻区，其水稻播种面积与产量均位居全国前列，但近年稻瘟病年均发生面积达30 万hm2，给水稻生产造成严重威胁[2]。生产实践证明，在控制稻瘟病流行与危害的诸多措施中，选育与利用抗性品种被认为是最经济与安全有效的方法[1]。利用传统育种技术选育抗性品种周期较长，且较难兼顾产量与米质，通过分子标记辅助选择技术跟踪抗性基因是培育抗性品种最快速有效的手段，不但可以有目的地利用某一特定抗性基因，还可在短时间内实现多个抗性基因的聚合，培育出持久广谱抗稻瘟病品种[3]。然而，为在育种与生产上合理利用抗稻瘟病基因，必须明确抗性基因在特定稻区的抗性水平及其应用价值。为此，各国学者利用抗性单基因品系开展了相关研究。Hossain等[4]研究认为，孟加拉国水稻抗瘟性育种与生产应用上主要推荐Pi－9(t)、Pi－sh、Pi－ta与Pi－ta2等基因。Nguyet 等[5]研究揭示，Pi－sh、Pi－km、Pi－ta、Pita2、Pi－1、Pi－kh、Pi－k、Pi－kp、Pi－7(t)、Pi－9(t)、Piz5(即Pi－2)等基因在越南水稻生产上均具应用前景。我国对抗性单基因在水稻生产与育种上的应用在黑龙江[6]、湖南[7]、四川[8]等省均有相关报道。然而，上述研究均采用室内接种方法，试验结果较田间偏重，加之接种菌株群体在稻区的代表性有限，且室内接种未鉴定穗颈瘟的抗性。因此，有必要在田间病圃对单基因品系的抗瘟性进行鉴定，以全面了解这些基因对苗叶瘟与穗颈瘟的田间抗性，从而为其合理利用提供依据。

湖南桃江病圃位于湖南省桃江县高桥镇罗溪村，病圃四面环山、日照时间短、结露时间长、湿度大，具备稻瘟病发生流行有利条件，长期是湖南省水稻稻瘟病抗性鉴定基地，其病菌群体与小种类型在所在稻区具有代表性[9－10]。为此，本研究于2020—2021 年在该病圃鉴定评价了水稻主要抗稻瘟病单基因品系的抗性，以期为湖南乃至长江中下游稻区水稻抗病分子育种和含不同抗性基因品种的合理利用与推广提供更科学的指导。

1 材料与方法

1.1 供试水稻材料

普感品种丽江新团黑谷(LTH)及24 个水稻抗稻瘟病单基因系品种，其原种由中国水稻研究所与四川省农业科学院植物保护研究所提供。24 个单基因系品种具有LTH 遗传背景，是通过含相应基因的供体与LTH 回交选育而成[11]，具体名录及所含抗病基因信息详见表1、2。抗病品种特特普(Tetep)，由本课题组保存并繁殖。

表1 抗稻瘟病单基因系在桃江病圃的苗叶瘟抗性鉴定与评价结果Table 1 Results of resistance identification and evalutation of 24 monogenic lines to leaf blast in Taojiang nursery

1.2 苗叶瘟与穗颈瘟田间病圃自然诱发鉴定与评价

田间病圃苗叶瘟与穗颈瘟抗性鉴定试验地设置在湖南桃江病圃。26 个供试品种于每年5 月中下旬播种，采用条播方式，秧厢中间播种普感品种LTH，两边随机播种24 个单基因系及抗病对照品种Tetep。移栽前鉴定苗瘟，待普感品种LTH 充分发病(病级7 级以上)后，调查单基因与Tetep 的苗瘟病级。大田分蘖盛期鉴定叶瘟，每个单基因品种分小区随机排列种植、栽插30 蔸。为使其充分发病，每个单基因系至少有一侧临近普感品种LTH，大田四周栽植普感品种，且普感品种种植3 行以上。水稻黄熟初期鉴定穗颈瘟抗性，穗颈部或离穗颈1/2 处以下部位主轴发病的稻穗才被认为是穗颈瘟，同一品种每重复逐穗记录与调查其发病情况，以上试验均设置3 次重复。

苗叶瘟调查时，根据叶片病斑形状与发病面积进行病级分级，具体标准详见农业行业标准«水稻品种试验稻瘟病抗性鉴定与评价技术规程»(NY/T 2646－2014)。苗叶瘟统计分析时，同一品种每重复取发病最严重叶片的病级，而每品种的病级取3 次重复的平均值。穗颈瘟调查时，每重复随机调查100 穗，再根据发病穗数计算穗颈瘟发病率。基于发病率对穗颈瘟进行分级，具体标准如下:发病率＝0.0%，为0 级；0.1%≤发病率≤5%，为1 级；5.1%≤发病率≤10.0%，为3 级；10.1%≤发病率≤25.0%，为5 级；25.1%≤发病率≤50.0%，为7 级；发病率≥50.1%，为9 级。穗颈瘟统计分析时，每品种发病率及其病级均取3 次重复的平均值。

苗叶瘟与穗颈瘟抗性评价标准如下:平均病级<0.1，评价为高抗(HR)或免疫(IM)；0.1≤平均病级≤2.0，评价为抗(R)；2.1≤平均病级≤4.0，评价为中抗(MR)；4.0≤平均病级≤6.0，评价为中感(MS)；6.1≤平均病级≤7.5，评价为感(S)；7.6≤平均病级≤9.0，评价为高感(HS)。依据上述标准，分别评价2020、2021 年24 个单基因系及抗感病对照品种的苗叶瘟与穗颈瘟抗性水平，综合评价结果分别取2 年中苗叶瘟与穗颈瘟较严重的年份。

2 结果与分析

2.1 抗稻瘟病单基因系在桃江病圃的苗叶瘟抗性评价

2020—2021 年，24 个抗稻瘟病单基因系与抗感病对照品种在桃江病圃的苗叶瘟鉴定与评价结果见表1。普感品种LTH 苗叶瘟病级2 年均为9 级，苗叶瘟发病充分，试验结果可靠。评价结果进一步显示，这2 年中均无单基因系对苗叶瘟表现抗或高抗水平，2020 年仅IRBLz5－CA、IRBL1－CL、IRBL7－M、IRBLta2－Pi 等4 个单基因系表现中抗苗叶瘟，分别含有Pi－z5、Pi－1、Pi－7(t)与Pi－ta2，其余单基因系对苗叶瘟均表现中感及以上水平，其中含Pi－i、Pi－t与Pi－20等单基因的品系最感病。2021 年除上述4个单基因系对苗叶瘟表现中抗外，还有IRBLkp－K60、IRBLkm－Ts 等品系也表现中抗苗叶瘟，因此抗性表现较好的单基因有Pi－z5、Pi－1、Pi－7(t)、Pita2、Pi－kp与Pi－km，其余单基因系都表现中感及以上水平。综合2 年结果，含Pi－z5、Pi－1、Pi－7(t)与Pi－ta2等单基因的品系苗叶瘟抗性较好。

2.2 抗稻瘟病单基因系在桃江病圃的穗颈瘟抗性评价

2020—2021 年，24 个抗稻瘟病单基因系与抗感病对照品种在桃江病圃的穗颈瘟发病率及其病级与抗性评价结果见表2。2020—2021 年普感品种LTH穗颈瘟发病率均在90%以上、病级为9.0 级，穗颈瘟发病充分。进一步分析表3 结果，2020 年鉴定的24个单基因系中，IRBLz5－CA(含Pi－z5)、IRBL1－CL(含Pi－1)、IRBLta2－Pi(含Pi－ta2)对穗颈瘟表现抗级(R)水平，IRBLta－KI(含Pi－ta)、IRBL12－M(含Pi－12(t))、IRBLkm－Ts(含Pi－km)表现中抗(MR)水平，其它18 个品系均对穗颈瘟表现中感及以上，其中含Pi－i、Pi－20、Pi－a、Pi－ks、Pi－z、Pi－t与Pi－19(t)的品系最感病。2021 年，对穗颈瘟表现抗级水平分别为含Pi－1、Pi－9(t)基因的品系IRBL1－CL、IRBL9－W，表现中抗水平的为IRBLkp－K60、IRBLkh－K3、IRBLz5－CA、IRBL12－M、IRBLkm－Ts、IRBLta2－Pi 等单基因品系，它们分别含有Pi－kp、Pi－kh、Piz5、Pi－12(t)、Pi－km、Pi－ta2，含其它单基因的品系都对穗颈瘟表现中感及以上水平，其中含Pi－i、Pi－20、Pi－zt的品系最感病。综合2 年结果，含Pi－1、Pi－z5、Pi－ta2、Pi－12(t)与Pi－km的品系对穗颈瘟表现抗或中抗水平。

表2 抗稻瘟病单基因系在桃江病圃的穗颈瘟抗性鉴定与评价结果Table 2 Results of resistance identification and evalutation of 24 monogenic lines to neck blast in Taojiang nursery

表3 水稻主要抗稻瘟病单基因对苗叶瘟与穗颈瘟抗性的综合评价Table 3 Comprehensive evaluation of resistance of 24 major blast resistance genes to leaf and neck blast

2.3 抗稻瘟病基因在桃江病圃的抗性综合评价及利用前景分析

对2020—2021 年24 个单基因系在桃江病圃的苗叶瘟与穗颈瘟抗性结果进行综合评价，结果见表3。基于连续2 年的综合评价结果，表明含Pi－z5、Pi－1、Pi－ta2的品系在湖南桃江病圃对苗叶瘟与穗颈瘟均有较好的抗性，这3 个基因首荐在湖南水稻抗病育种与生产上应用。其后，有应用价值的基因依次为Pi－12(t)、Pi－km，这2 个基因虽对苗叶瘟表现中感，但2020—2021 年对穗颈瘟均表现中抗，可作为替补的有效基因应用于抗性育种。Pi－7(t)基因虽对苗叶瘟表现中抗水平，但2020—2021 年的穗颈瘟发病率均达到了20%左右；Pi－9(t)、Pi－ta在桃江病圃对苗叶瘟与穗颈瘟皆表现中感，因此，对含上述单个基因的品种在抗病育种与生产上应用需谨慎。2020—2021 年对苗叶瘟与穗颈瘟都表现感病或高感水平的单基因有Pi－sh、Pi－11、Pi－k、Pi－b、Pi－5(t)、Pi－i、Pi－20、Pi－a、Pi－ks、Pi－z、Pi－zt、Pi－t与Pi－19(t)等，这些基因在育种与生产上已失去应用价值。

3 讨论

目前，已鉴定或定位的水稻抗稻瘟病基因至少在100 个以上，但抗谱较广被应用广泛的仅少数基因，主要有Pi－1、Pi－z5(即Pi－2)、Pi－9(t)、Pi－ta、Pi－ta2与Pi－kh(即Pi－54)等，这些基因被证实具有广谱抗性，在自然病圃的田间抗性表现较好[12]。我国湖南省及长江中下游地区水稻区域试验新品种均须在湖南桃江病圃鉴定稻瘟病抗性，其抗瘟性达到审定标准的品种才能在该稻区审定与推广应用。本研究通过2020—2021 连续2 年的抗性监测，明确了含Pi－1、Pi－z5与Pi－ta2等单基因的品系在桃江病圃对苗叶瘟与穗颈瘟均具有较好抗性，这3 个基因在抗性育种与生产上最具利用前景。Pi－1基因源于利比亚粳型品种“LAC23”。Hua 等[13]研究表明，该基因对我国福建、湖南、云南、贵州、四川、江苏、辽宁、黑龙江等省菌株的抗性频率都在70%以上，广谱抗性明显，可作为抗性育种与生产上的有效基因广泛应用。研究发现，Pi－1在广东从化病圃具有较好的田间抗性，对广东稻瘟病菌的抗菌频率达82.2%，抗谱很广，目前在广东已利用该基因育成了一批杂交稻不育系与恢复系[14－15]。Pi－z5(Pi－2)，它对分离自我国各稻区的792 个稻瘟病菌中的绝大部分菌株表现抗性，只有7.55% 的小种能使其致病[16]，已被广泛应用于育种与生产中[17]。Pi－ta2抗谱广于Pi－ta基因，初步判断其与Ptr为同一基因。Zhao 等[18]研究发现，在IRRI 3 000 份水稻基因组重测序材料中，仅48 份含有Ptr抗性基因型，表明该基因在水稻抗病育种方面具有广阔的应用前景。另外广谱抗性基因Pi－9(t)、Pi－ta也有广泛利用[19]。但据本研究结果，含这两个基因的单基因品系在桃江病圃对苗叶瘟与穗颈瘟均表现中感水平，这2 个基因宜与其它抗性基因聚合应用。

根据本研究结果，已测试的24 个稻瘟病主效抗性单基因在桃江病圃大多表现出较差的田间抗性；加之，含单个抗稻瘟病基因的品种其抗性降低甚至丧失的风险较大，因而，在抗性育种与生产中，在对水稻产量和品质没有明显不利影响的前提下，推荐聚合至少2 个有效的抗性基因，且其中至少一个单基因在特定稻区具有广谱或较好的田间抗性，如针对湖南桃江病圃，推荐Pi－1和Pi－2、Pi－1和Pi－9(t)及Pi－2和Pi－ta等基因聚合方式。此外，目前国内外鉴定和定位的稻瘟病抗性基因已超过100 个，但育成的具有普感品种背景的水稻单基因品系偏少，如本研究只用了其中的24 个，大部分基因由于缺乏相应单基因品系而无法评价其田间抗性，影响了其在育种与生产上的应用。

4 结论

24 个水稻抗稻瘟病单基因品系在湖南桃江病圃呈现出不同的田间抗性水平，其中，苗叶瘟抗性表现较好的为含Pi－z5、Pi－1、Pi－7与Pi－ta2等单基因的品系，穗颈瘟抗性表现较好的为含Pi－1、Pi－z5、Pi－ta2、Pi－12(t)与Pi－km等单基因的品系。综合来看，含Pi－1、Pi－z5、Pi－ta2等单基因的品系对苗叶瘟与穗颈瘟皆表现出较好的田间抗性，这3 个基因在生产上最具利用前景，可单独或与其它抗性基因聚合应用。