217份一粒系小麦苗期抗条锈病鉴定及抗病基因检测

赵小倩 冯晶 王凤涛 徐晓伟 童朝阳 蔺瑞明 徐世昌

摘要

小麥条锈病是影响小麦生产的重要病害之一。发掘新的抗病基因，培育新的抗病品种是防治小麦条锈病最经济有效的措施。一粒系小麦作为普通小麦的二级基因源，蕴含了丰富的抗病资源。为了从一粒系小麦中发掘新抗病基因，促进其利用，本文对217份一粒系小麦材料进行了苗期抗条锈病鉴定和A基因组的部分抗条锈病基因检测。结果表明，共有55份材料在苗期对CYR32表现抗病，占25.35%;抗病基因分子标记检测显示，携带Yr1、Yr34/Yr48、Yr69、Yr76抗性基因的材料分别有26、22、16、34份。共有4份表现高抗或免疫的材料同时携带2个抗性基因：2份材料携带Yr69和Yr34，2份携带Yr1和Yr34。所有供试材料中均未检测到Yr17。此外，有23份抗病材料未检测到以上抗病基因，其中7份表现高抗及免疫，可能携带其他已知或新的抗条锈病基因。本研究为一粒系小麦的利用提供了参考信息。

关键词

一粒系小麦; 条锈病; 分子标记; 抗性鉴定; 苗期抗性

中图分类号：

S 435.121.42

文献标识码： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2022709

Identification of stripe rust resistance in the seedling and detection of resistance genes in 217 einkorn wheats

ZHAO Xiaoqian1， FENG Jing1，2*， WANG Fengtao1，2， XU Xiaowei1， TONG Chaoyang1，LIN Ruiming1，2*， XU Shichang1

（1. State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests， Institute of Plant Protection， Chinese Academy 

of Agricultural Sciences， Beijing 100193， China; 2. National Agricultural Experimental Station for Plant Protection 

at Gangu， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tianshui 741000， China）

Abstract

Wheat stripe rust is one of the important diseases affecting wheat production. Exploring new diseaseresistant genes and cultivating new diseaseresistant varieties are green and effective measures. As the secondary genepool of common wheat （Triticum aestivum L.）， einkorn wheat also contains rich diseaseresistance resources. In order to discover new diseaseresistant genes and promote the utilization of einkorn wheat， the resistance of 217 accessions to stripe rust were identified at the seedling stage and diseaseresistant genes on A genome were detected using molecular markers. The results showed that 55 materials exhibited resistance to CYR32 at the seedling stage， accounting for 25.35%， and there were 26， 22， 16 and 34 materials carrying Yr1， Yr34/Yr48， Yr69 and Yr76， respectively. A total of four materials with immune or high resistance carried two resistance genes simultaneously： two materials carried Yr69 and Yr34， and two materials carried Yr1 and Yr34. The gene Yr17 was not detected in the test materials. In addition， 23 materials were not detected for any of the five resistance genes， seven of which showed high resistance or immunity， and might carry other known or new stripe rust resistance genes. This study provides reference information for the utilization of einkorn wheat.

Key words

einkorn wheat; stripe rust; molecular marker; resistance identification; seedling stage resistance

小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型Puccinia striiformis f.sp. tritici引起的一种叶部病害，其发生和危害具有长期性、暴发性、流行性和变异性等特点，是世界性气传真菌病害［1］。病害流行年份可使小麦减产5%～25%，严重时甚至绝收，对我国粮食安全生产具有重大威胁［2］。小麦条锈菌专化性强、生理小种变异快，随着新的生理小种不断产生，已有的抗病基因不能满足生产需要，目前已经正式命名的83个抗条锈病基因中，对于当前的流行小种CYR32、CYR33、CYR34，大多数已经丧失抗性，只有Yr5、Yr15、Yr36、Yr45、Yr62等极少数基因仍保持抗性［3］。因此急需发掘新的抗病基因，培育新的抗病品种。

一粒系小麦（einkorn wheat）是六倍体普通小麦Triticum aestivum L.基因组A的供体，根据其形态特征可以分为乌拉尔图小麦T.urartu、野生一粒小麦T.boeoticum和栽培一粒小麦T.monococcum 3个种［4］。与普通小麦相比，一粒系小麦具有较高的叶绿素含量和较多的叶绿体基粒片层数目，有更高的光合速率，光合特性与C4植物相似［5］。Wx基因是影响小麦淀粉品质的关键基因，Ortega等［6］在乌拉尔图小麦中发现了4个新的等位基因，且一粒系小麦中含有较高的蛋白质与赖氨酸含量，是改良小麦品质的优质资源。一粒系小麦还具有优良的抗旱性，是改善小麦品种耐旱性的潜在基因库［7］。

一粒系小麦中还蕴藏着丰富的抗病基因，是改良普通小麦的重要基因资源。目前已有部分抗病基因成功转移到普通小麦中，如来源于栽培一粒小麦的抗白粉病基因Pm25［8］、抗秆锈病基因Sr22［9］、抗条锈病基因Yr34/Yr48［10］以及来自野生一粒小麦的抗白粉病基因PmTb7A.1和PmTb7A.2［11］，抗条锈病基因YrZ151370［12］、QYrtb.pau5A［13］。但关于一粒系小麦中的抗条锈病基因的发掘研究仍然较少，本研究对217份一粒系小麦材料进行了抗条锈病鉴定，并对 A 基因组部分抗条锈病基因进行了检测，为一粒系小麦的抗病基因的发掘和利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试一粒系小麦材料217份，已知基因载体品系‘AvSYr1NIL’（Yr1）、‘AvSYr17NIL’（Yr17）、小麥品种‘CH7086’（Yr69）、‘Tyee’（Yr76）和感病对照‘铭贤169’，苗期抗性鉴定所用菌种为CYR32。以上材料均由中国农业科学院植物保护研究所麦类真菌病害研究组提供。

1.2 方法

1.2.1 苗期抗条锈病鉴定

苗期抗性鉴定在中国农业科学院植物保护研究所低温室进行，供试材料播种在35 cm×24 cm×10 cm的方盒中，每盒播种40份材料，每份材料播种20粒左右。将方盒置于光周期L∥D=12 h∥12 h，温度昼15～18℃/夜11～14℃的温室内培养。于一叶一心期采用喷菌法将条锈菌CYR32（1 mL NovecTM 7200电子氟化液中含2 mg孢子）均匀喷洒于叶片上，10℃下黑暗保湿24 h，然后转于温室内潜育发病，光周期L∥D=12 h∥12 h，温度昼15～18℃/夜11～14℃。接种后15～18 d，待‘铭贤169’充分感病后调查记录反应型，依据农业行业标准（NY/T 29532016）《小麦区域试验品种抗条锈病鉴定技术规程》的0～4级标准［14］。

1.2.2 A染色体组部分抗病基因检测

采用CTAB法［15］提取小麦基因组DNA，0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA质量，并稀释为100 ng/μL，-20℃保存备用。利用Yr1、Yr17、Yr34/Yr48、Yr69和Yr76共5个抗条锈基因的连锁标记（表1）对供试材料进行分子检测。检测Yr17、Yr34/Yr48和Yr76的PCR反应程序为：98℃预变性2 min;98℃变性10 s，50～65℃退火10 s，72℃延伸15 s，30～35个循环;72℃延伸2 min，4℃保存;10 μL反应体系：1.1×T3 Super PCR Mix 8 μL;上、下游引物（10 μmol/L）各0.5 μL，模板DNA 1 μL;产物进行1%～3%琼脂糖凝胶电泳检测。检测Yr1和Yr69的PCR反应程序为：95℃预变性3 min;95℃变性15 s，50～65℃退火15 s，72℃延伸1 min，30～35个循环;72℃延伸5 min，4℃保存;10 μL反应体系：2×Taq DNA Master Mix for PAGE 5 μL;上、下游引物（10 μmol/L）各0.4 μL，模板DNA 1 μL，ddH2O 3.2 μL;产物用8%聚丙烯酰胺凝胶电泳检测。

2 结果与分析

2.1 供试材料苗期抗条锈病鉴定

利用CYR32对217份供试材料进行苗期抗性鉴定，结果如表2所示。共有55份材料对条锈病表现抗病，占供试材料的25.35%，其中分别有8、4、13、30份材料对CYR32表现为免疫、近免疫、高抗、中抗，所占比例分别为3.69%、1.84%、5.99%、13.82%。

1） 该表所示为217份材料中苗期抗条锈病和检测出有抗病基因的品种。 +： 存在抗病基因特征带; -： 不存在抗病基因特征带; I： 免疫;NIM：近免疫;HR： 高抗;MR： 中抗;MS： 中感;HS： 高感。

In the table， 217 materials with resistance to stripe rust at seedling stage and resistance genes detected are shown. +： Specific resistant band is present; -： Specific resistance band is absent; I： Immune; NIM： Nearly immune; HR： Highly resistant; MR： Moderately resistant; MS： Moderately susceptible; HS： Highly susceptible.

2.2 抗病基因分子标记检测

2.2.1 Yr1分子检测

利用SSR标记Xgwm311检测供试材料中Yr1的携带情况（图1），AvsYr1NIL（Yr1）可以扩增出120 bp的阳性条带，检测的材料中共有26份可以扩增出目的条带（表2），可能携带Yr1，占供试材料的11.98%。

2.2.2 Yr17分子检测

利用SCAR标记SC385检测Yr17在一粒系小麦中的携带情况（图2），AvSYr17NIL（Yr17）可以扩增出385 bp的阳性条带，所检测的材料中均未扩增出该片段大小的条带（表2），说明所检测材料可能不携带Yr17基因。

2.2.3 Yr34/Yr48分子檢测

利用STS标记sun712检测Yr34/Yr48在一粒系小麦中的携带情况（图3），携带该基因的材料可以扩增出900 bp的阳性条带，检测的材料中共有22份可以扩增出目的条带（表2），可能携带Yr34/Yr48，占供试材料的10.14%。

2.2.4 Yr69分子检测

利用EST标记2AS111检测Yr69在一粒系小麦中的携带情况（图4），Yr69的载体品种‘CH7086’可以扩增出286 bp的阳性条带，检测的材料中共有16份可以扩增出目的条带（表2），可能携带Yr69，占供试材料的7.37%。

2.2.5 Yr76分子检测

利用SSR标记Xwmc532检测Yr76在一粒系小麦中的携带情况（图5），Yr76的载体品种‘Tyee’可以扩增出176 bp的阳性条带，检测的材料中共有34份可以扩增出目的条带（表2），可能携带Yr76，占供试材料的15.67%。

在所有检测的材料中，共有14份材料含有不止一种抗病基因，其中同时含有Yr69和Yr34的共有6份，同时含有Yr1和Yr76的有3份材料，另外有5份材料同时含有Yr34和Yr1。55份抗病材料中有23份材料未检测到上述5个基因，可能含有其他已知或者新的抗病基因，需要进一步检测。

3 结论与讨论

挖掘新的抗病基因，增加主栽品种抗病基因的多样性能有效解决因条锈菌频繁变异而导致抗病品种抗性丧失的问题。本研究利用CYR32对217份一粒系小麦进行抗条锈病鉴定，共有55份表现抗病，占供试材料的25.35%，分别有8、4、13份材料对CYR32表现为免疫、近免疫、高抗，具有较高的抗性水平，其中有23份抗病材料未检测到抗病基因Yr1、Yr17、Yr34/Yr48、Yr69和Yr76，这些种质可能含有已知的或未知的抗条锈病基因或组合，说明一粒系小麦中含有丰富的抗条锈病资源，

本研究对A基因组上的Yr1、Yr17、Yr34/Yr48、Yr69和Yr76等5个基因进行了分子检测。Yr1来源于‘Chinese 166’，曾经在我国育成品种中应用广泛，目前对我国当前的条锈病流行小种CYR32、CYR33和CYR34已失去抗性，使用频率有所下降。徐琪等［21］在181份小麦高代系材料中检出10份携带Yr1基因的小麦品种，仅占5.52%。在本研究中，检测到Yr1的频率较高，为11.98%。Yr1与其他基因聚合使用，可以提高抗病性。如同时携带Yr1和Yr2的多基因聚合种质‘Ibis’的抗条锈性水平高于单独含有Yr1和Yr2的材料［22］，同时聚合了Yr1、Yr2、Yr9和Yr32的材料‘Savannah’也具有较好的抗性表现［23］。在本研究中，检测到Yr1的26份材料中有18份未检测到其余4个Yr基因，其中12份材料表现感病，6份材料表现抗病;抗病材料中有4份材料（PI 428252、PI 428321、PI 3522691和PI 6146502）表现为高抗及免疫，抗性表现良好，说明这4份材料中含有除本研究检测的5个基因以外的其他抗病基因。

Yr17是来源于偏凸山羊草Aegilops ventricosa的全生育期抗病基因，对当前的条锈菌生理小种仍具有一定抗性［24］。在张小娟等［25］检测的95份青海省小麦品种中，有78%的材料中含有Yr17。78份四川小麦育成品种中也有近58%的材料可能携带Yr17［26］。Yr17与其他基因聚合常常能提高小麦抗病性［27］。本研究在供试一粒系小麦中未检测到Yr17。

抗条锈病基因Yr34和Yr48来自栽培一粒小麦T.monococcum，通过染色体易位进入到普通小麦，是同一个抗病基因［10］，这两个基因数十年来一直对美国、澳大利亚、墨西哥等多个国家的条锈菌小种表现出广谱抗性。但已丧失对中国当前流行小种CYR32、CYR33、CYR34的抗性［3］。赵旭阳等［28］通过分子检测发现，93份来自青藏春冬麦区的小麦地方种质中有40份（43%）可能携带Yr48。在本次检测中22份材料含有Yr34/Yr48，其中有11份材料只检测到Yr34/Yr48，7份表现感病，证实了Yr34/Yr48已失去对CYR32的抗性，另外4份表现抗病的材料，可能含有除Yr1、Yr17、Yr69和Yr76外其他已知或未知的Yr基因;其他11份材料检测到2对抗病基因。Yr48与其他检测的基因组合出现频率最高，在检测到2个基因的材料中78.57%的材料含有Yr48基因。

Yr69来源于彭梯卡偃麦草Thinopyrum ponticum，对我国目前多个条锈菌生理小种表现高抗或免疫，是中国条锈菌优势流行小种的有效抗病基因。本研究利用Yr69的连锁标记2AS111在217份材料中检测到16份材料扩增出与目的片段相同大小的片段，结合苗期抗条锈病鉴定结果，有3份材料表现感病的原因可能是Yr69为专化抗性，对不同条锈菌生理小种的抗感反应不同造成的，其他携带Yr69的13份材料可以应用于后期的抗病育种中。

Yr76是来源于普通小麦的全生育期抗病基因，不同国家的不同条锈生理小种对其毒性频率也不同，在加拿大、厄瓜多尔等地，Yr76仍有较高的抗性水平，而对于中国目前的大部分条锈菌生理小种，包括CYR32、CYR33和CYR34，已失去其抗性［29］。在217份供试一粒系小麦中有34份材料被检测到Yr76，其中3份检测到含有2个基因（Yr1+Yr76）;31份未检测到其余4个Yr基因，6份材料表现抗病，其中3份材料（PI 428198、PI 428232和PI 428283）表现为高抗，推测这6份材料中含有除本研究检测的5个基因以外的其他抗病基因。

在小麦育种中对主效抗病基因进行有目的累加或聚合不同类型的抗性基因有利于获得持久抗病性［30］。董娜等［31］的研究也表明，Yr5与慢病基因Yr18聚合能显著增强抗病性。张一博［32］通过对110份多基因聚合材料的抗性鉴定与抗病基因分子检测分析发现，材料的抗病水平随着条锈病抗性基因的聚合数目与类型的增加显著上升，二者之间呈正相关。即使是已经对当前小种失去抗性的基因，通过聚合也可能会增强品种的抗病性，如Yr9+Yr17［33］。本研究中共有14份材料含有2个基因，其中3份材料同时含有Yr1和Yr76，但均表现感病，说明Yr1和Yr76聚合不能增强抗病性;同时含有Yr69和Yr34的材料共有6份，2份（PI 427999和PI 277121）表现高抗;5份材料同时含有Yr1和Yr34，3份（PI 306532、CITR 177412和PI 3305272）表现抗病。通过分子检测手段明确抗病基因分布情况，有效聚合抗病基因，提高抗病基因利用率是解决当前抗病基因数量有限问题的有效策略。

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（责任编辑：杨明丽）