小麦品种混种对白粉病的调控及其对部分产量性状及蛋白质含量的影响

许 韬， 徐 志， 徐 媛， 段霞瑜

（中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）

小麦品种混种对白粉病的调控及其对部分产量性状及蛋白质含量的影响

许 韬， 徐 志， 徐 媛， 段霞瑜*

（中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193）

摘要对品种混合种植控制小麦白粉病的效果以及对小麦穗重、千粒重、蛋白质等指标的影响进行了研究，为混合种植控制白粉病提供理论依据和品种组合。在对37个小麦品种进行SSR多样性分析的基础上，选用8个生产品种（后备品种），按品种数3、4、5、6、8进行组合，在田间以随机区组设计种植混播组合和单播小区，人工接种白粉菌，比较各小区中小麦白粉病的AUDPC值、穗重、千粒重和粗蛋白差异。结果表明，8个品种亲缘关系较远；4品种混种时AUDPC最小，穗重最重。26个品种混种组合中有防治效果的组合占到73.08%，相对防效为1.23%～56.65%；混种未对穗重和粗蛋白含量造成负面影响。品种多样性种植可以用做调控小麦白粉病的一项措施。

关键词小麦白粉病； AUDPC值； 穗重； 蛋白质含量； 千粒重

白粉病是我国小麦生产上最严重的病害之一。种植抗病品种是最经济有效的防病措施。但由于大面积种植单一品种或单一抗病基因的品种会对病原菌产生定向选择压力导致群体毒性变异，使小麦品种抗病性丧失，导致小麦白粉病大流行的风险大大增加［1］。故使用不同的抗病品种合理组合，防止因品种单一引起的新小种流行，可以减轻病害的发生，延长抗病品种的使用寿命。

针对品种单一造成的风险，国内外都在探索防范和应对的技术。利用种内多样性控制禾谷类作物上由专性寄生病原菌引起的叶部病害的研究显示，品种混合种植对病害有一定的控制作用［2-4］。利用该技术对小麦叶枯病、网斑病以及大麦云斑病的研究表明，该技术对非专性病原菌引起的病害也有防控作用［5-6］。关于种内多样性控制病害的机制，早期提出密度效应、阻挡效应、诱导抗病效应，近年又提出微生态效应和竞争效应［7-9］。但其理论基础则是基因对基因学说和寄主与病原物的协同进化［10］。其控病效果受品种抗感搭配及比例、品种遗传差异、株高、成熟期、组分数目、播种方式、密度、株型等多种因素影响。其中，Mundt［11］的研究表明，混合种植品种数从2个增加到5个时，可以看出小麦条锈病的严重度有下降的趋势，但当品种数超过3个或者4个时，这种下降的趋势变缓。Newton等［12］在大麦云纹病（Rhynchosporium secalis）的防治中获得了相似的结果。我国已有利用品种多样性控制小麦条锈病、白粉病等病害的研究［13-16］。本研究选用8个小麦品种，研究品种混合种植对小麦白粉病控病效果及对小麦穗重和粗蛋白含量的影响，为生产上利用品种多样性技术控制小麦白粉病提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 小麦品种

小麦推广及后备品种（系）37个，分别由河南省农科院植保所宋玉立研究员、小麦所胡琳研究员、中国农科院作物科学研究所杨丽研究员提供，并由本实验室保存。其中由河南省农科院提供的品种为：‘周麦19’、‘豫农012’、‘豫麦34’、‘04中36’、‘豫农949’、‘豫麦54’、‘众麦1号’、‘偃展4110’、‘豫麦25’、‘众麦2号’、‘矮抗58’、‘郑农16’、‘豫麦49-198’、‘周麦22’、‘百农64’、‘富麦2008’、‘周麦16’、‘CA9550’、‘豫麦70-36’、‘周麦18’、‘濮麦9号’、‘新麦19’、‘郑麦004’、‘新麦18’、‘豫麦69’、‘开麦18’、‘豫麦18’、‘郑麦366’、‘洛旱6号’、‘郑麦9023’、‘洛旱3号’和‘郑麦9694’；由中国农科院作科所提供的品种为‘轮选987’；本实验室保存的品种有‘京411’、‘京冬8号’、‘京双16’；本实验室育成的品种有‘保丰104’。根据SSR分析结果及田间抗病性表现，选出8个品种进行田间混合种植试验（表1）。

1.2 病原菌

将6个已知毒谱的小麦白粉菌菌株混合后在温室进行盆栽苗繁殖，春季进行小区接种。

1.3 SSR引物、小麦DNA提取及SSR-PCR反应体系

从GrainGenes网站（http：∥wheat.pw.usda.gov／cmap／）选择了37对分布于小麦基因组21条染色体的SSR标记（Xbarc263、Xbarc208、Xbarc57、Xbarc106、Xbarc40、Xbarc201、Xbarc108、Xbarc81、Xbarc349、Xwmc815、Xbarc1 096、Xwmc75、Xbarc178、Xbarc65、Xbarc346、Xbarc297、Xbarc42、Xwmc285、Xbarc286、Xbarc196、Xwmc506、Xgwm153、Xgwm642、Xgwm372、Xgwm148、Xgwm102、Xgwm389、Xgwm77、Xgwm161、Xgwm160、Xgwm368、Xgwm595、Xgwm291、Xwmc740、Xwmc783、Xwmc190、Xwmc583），并下载引物序列信息。引物由生工生物工程（上海）有限公司合成。

采用MP Fast DNA®Kit（美国Qbiogene公司）并按照其说明提取37个品种小麦叶片基因组DNA，采用紫外光光度计检测DNA浓度和纯度。

SSR-PCR反应体系和扩增条件参考王秀娜等［13］的方法。PCR扩增产物用8%的非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测，经硝酸银染色后统计带型并拍照记录。

1.4 田间试验设置

试验于2010年10月到2011年6月在中国农业科学院植物保护研究所河北廊坊实验基地完成，试验共34个处理，每处理3次重复，共计102个小区，小区面积为（2×7）m2，每小区种植小麦28行，行距25 cm；小区之间留半米宽的隔离带，按随机区组设计进行田间多样性布局。根据各品种的发芽率和千粒重采取相等有效粒数进行品种等比例混合，10月上旬播种，由于大部分品种不抗寒，因此用草帘覆盖过冬。2011年3月底将发病的盆栽苗移植田间对小区进行人工接种，每小区3盆。

1.5 田间病害调查

4月下旬开始每7 d进行一次定点调查，在每个小区五点取样，每点调查20茎小麦，用9级法［17］记载小麦白粉病的病情。

1.6 穗重及粗蛋白含量测定

根据长势齐整，密度大体一致，品种比例均匀的原则每小区选取5行收获，从5行中随机选取30穗脱粒后测穗重。同时对每小区收割的5行按小区分别脱粒，所得种子按小区采用对角线法进行取样，具体做法是将种子倒入直径约80 cm的大盆中，铺平，画对角线，取位于对顶角的2份种子，重复上述步骤一次，获得约250 g种子；从中取30 g种子，用Perten9200型近红外谷物分析仪测量粗蛋白含量，每样品测两次，将所测的数据取平均值作为该小区的粗蛋白含量。再从所剩的种子中随机数3×600粒种子，称重后计算千粒重。

1.7 数据处理

应用Excel计算田间病情指数（disease index，DI）、病害流行曲线下面积（area under disease progress curve，AUDPC）、穗重的理论值、相对防效和相对增加率等基本数据；采用方差分析比较各处理之间差异和实际值与理论值之间差异，分析软件为SAS 8.1。计算公式如下：

其中，A1＝混种的理论AUDPC；A2＝各混种的实际AUDPC。

其中，A3＝混种穗重、千粒重、粗蛋白含量的理论值；A4＝混种穗重、千粒重、粗蛋白含量的实际值。

其中，Xi，Xi＋1分别为时间Ti和Ti＋1时的病情指数，n为调查次数。

其中理论值是指根据其混种组分单种时的AUDPC、千粒重、穗重、粗蛋白含量的值计算的加权平均数，权数为各组分在品种混种中所占比例。相对增加率和相对防效计算为正值时表示穗重、千粒重、粗蛋白含量增加，病害减轻；为负值时表示穗重、千粒重、粗蛋白含量减少，病害加重。

根据扩增条带的有无，构建SSR谱带0-1二元数据矩阵。采用NTsys-pc2.01进行UPGMA（unweighted pair group method arithmetic averages）聚类分析。

2 结果与分析

对37对SSR引物进行筛选，共获得7对扩增多态性较好、带型整齐清晰且扩增结果较稳定的引物，分别是Xbarc57、Xbarc1096、Xbarc208、Xwmc285、Xwmc506、Xgwm389和Xgwm148。利用这7对引物对37个小麦品种进行SSR扩增并进行聚类分析（图1），37个小麦生产品种相似系数在0.79～1.00之间，具有一定的遗传多样性。结合报道的品种田间抗病性及SSR分析结果，从中选择出8个品种进行田间混合种植试验，这8个品种是‘矮抗58’、‘新麦19’、‘郑麦9694’、‘众麦2号’、‘周麦18’、‘郑农16’、‘郑麦004’和‘轮选987’，其中7个品种的系谱见表2，而‘轮选987’是以矮败小麦为母本，以‘农大139’、‘北京837’、‘BT881’等20多个亲本为父本进行杂交并回交，各组合种子按一定比例组成矮败小麦轮回选择基础群体，以后又不断加入国内外优异种质进行轮回选择所培育的品种［18］。

8个品种在接种条件下的病情曲线下面积、千粒重、穗重、粗蛋白含量数据见表1。

表1 廊坊田间小区试验结果1）Table 1 Results of the field trial in Langfang

续表1 Table 1（Continued）

表2 所选7个品种的系谱表Table 2 The pedigree of the tested cultivars

2.1 混合种植对白粉病的防治效果

26个混种组合中病情曲线下面积（AUDPC）实际值小于理论值的组合有19个，占总混种处理数的73.08%。对26个混合处理的AUDPC的实际值与理论值进行方差分析，其差异显著。分别对含有3、4、5、6、8个品种的组合进行方差分析，结果表明，除4品种混合（共7个处理）和6品种混合（共4个处理）差异显著外（P＜0.05），其余品种组合都差异不显著。实际值小于理论值的19个处理其相对防效在1.23%～56.65%之间，其中第3、8、9、10、12、14、15、18、21、24号处理差异显著（P＜0.05）（表1），而所有防效降低的组合都未达到显著水平。

2.2 穗重分析

26个混种组合中单穗粒重实际值大于理论值的组合有21个，占总混种处理数的80.77%。对26个混合处理的穗重实际值与理论值进行方差分析，差异显著（P＜0.05）。分别对3、4、5、6、8品种的组合进行方差分析，结果表明，除6品种混合（共4个处理）和8品种混合（共1个处理）差异不显著外（P＜0.05），其余品种组合差异都显著。实际值大于理论值的20个处理其相对增量在0.13%～15.79%之间，其中第4、8、13、18号处理的理论值与实际值的差异达显著水平（P＜0.05）（表1）。对穗重与AUDPC的相关性分析表明两者没有相关性，但穗重的相对增加率与混合种植防效显著相关（表3）。

图1 37个小麦品种基于SSR的UPGMA聚类分析Fig.1 UPGMA cluster analysis of 37 cultivars based on SSR

表3 四指标间相关系数和P值以及四指标增量间相关系数和P值1）Table 3 The correlation coefficients among the four indices analyzed

2.3 千粒重结果与分析

26个混种组合中千粒重实际值大于理论值的组合有20个，占总混种处理数的76.92%。这20个处理的千粒重相对增量在0.2%～8.63%之间，其中第2、3、4、9、13、15、18、21、23和25号等10个处理的理论值与实际值差异显著（P＜0.05），占千粒重增加组合的一半（表1）。按3、4、5、6、8品种组合分别进行方差分析，结果表明，除8品种混合（共1个处理）差异不显著外，其余品种组合都差异显著（P＜0.05）。对千粒重与AUDPC值和穗重之间进行相关性分析，千粒重与AUDPC值之间具有显著相关性，但与穗重之间没有相关性（表3）。对千粒重相对增加率与混合种植防效和穗重的相对增加率之间进行相关性分析，结果表明千粒重相对增加率与混合种植防效显著相关，但与穗重的相对增加率之间没有相关性（表3）。

2.4 粗蛋白含量结果与分析

26个混种组合中粗蛋白含量实际值大于理论值的组合有16个，占总混种处理数的61.53%。对26个混合处理的粗蛋白含量实际值与理论值进行方差分析，其差异显著（P＜0.05）。分别对3、4、5、6、8品种的组合进行方差分析，结果表明，除4品种混合（共7个处理）和6品种混合（共4个处理）差异显著外（P＜0.05），其余品种组合都差异不显著。实际值大于理论值的16个处理其相对增量在1.13%～14.81%之间，其中第1、3、4、8、13、14号处理理论值与实际值的差异达显著水平（P＜0.05）（表1）。对粗蛋白含量与AUDPC值、穗重、千粒重进行相关性分析，表明粗蛋白含量与其余三者都不存在相关性（见表3）。对粗蛋白含量相对增加率与混合种植防效、穗重相对增加率、千粒重相对增加率之间进行相关性分析表明，粗蛋白含量相对增加率与千粒重相对增加率和穗重相对增加率都不存在相关性，但与相对防效显著相关（表3）。

3 结论与讨论

混合种植控病效果受多种因素的影响，本研究结果重现了品种混种的控病效果与品种数目相关这一现象［11-13，19］。Mundt［11］的结果表明，当混种的小麦品种数增加到3个或4个时，混合种植对条锈病的控制效果增加，但当品种增加到5个时，控病效果虽仍在增加，但却出现消失的迹象。本试验设置了3～8个品种混合种植的组合，结果显示4品种混合组的AUDPC值最小，控病效果最好，其余组合与4品种组合均差异较大。品种数最多的26号处理（8个品种）在AUDPC、千粒重、穗重和粗蛋白含量4个指标的实际值和理论值之间都没有显著差异，表现相对较差。

本研究结果还表明，混合种植时，小麦品种间的遗传差异起重要作用。在整体表现最好的几个处理中（即AUDPC、千粒重、穗重、粗蛋白4个指标中，至少有3个指标实际值与理论值有显著差异，这些处理为3、4、8、13和18号处理），除了处理18中‘矮抗58’与‘郑麦004’遗传距离比较近外，其他组合中组分的SSR遗传距离都比较远（图1），且没有一个处理的所有品种都位于‘郑农16’、‘周麦18’、‘众麦2号’、‘郑麦9694’所组成的系谱内（表2）。将SSR的聚类图（图1）与系谱图（表2）相比，除‘轮选987’遗传背景复杂无法在系谱图中看出联系外，其余基本与SSR聚类图一致。可见选用遗传差异较大的品种混种的控病效果较好。这与Zhu等［19］在稻瘟病上的研究结果相一致，Zhu等在水稻多样性种植防治稻瘟病时，发现品种间遗传差异度越大，效果越好。此外，在整体表现最好的3、4、8、13、18号处理中，没有一个处理是所有组分都抗病或者都感病的，而是抗感品种的搭配，这与前人结果一致。其中3品种混合的3、4、8处理都是2个抗性品种搭配1个感病品种，4品种混合的13号处理是3个抗性品种搭配1个感病品种，而5品种混合的18号组合是3个抗性品种搭配2个感病品种。在AUDPC实际值显著小于理论值的10个处理中（即处理3、8、9、10、12、14、15、18、21、24），其品种组分也都是由抗病品种和感病品种组成，而且处理3、14、15都是由中抗和中感品种组成，而处理24是由2个中抗品种、2个中感品种和2个高感品种组成，这说明只要组合得当，中抗和中感品种也能有较好的防效。总体上看，在效果较好的几个品种组合中，抗性品种所占的比例较高，但这并不应成为选择混种组分的唯一指标。

利用品种多样性进行病害防控已有诸多报道，本研究结果显示，本试验小麦混合种植对白粉病相对防效分布在1.23%～56.65%之间，但不是所有品种组合都表现出对小麦白粉病防控的正效应。王秀娜等在2008年和2009年研究结果显示，小麦混合种植对白粉病的相对防效分布在10.02%～47.58%之间和1.85%～18.96%之间［13］；Li等2010年的研究表明小麦混合种植对白粉病的相对防效在1.02%～25.55%之间［20］。Findkh和Mundt研究表明利用品种混合控制小麦条锈病可以使病害严重度减少13.00%～97.00%［15］；Huang等研究表明混合种植使小麦条锈病发生减少了29.60%～81.90%［21］。这些结果都表明，利用混合种植控制病害，不能进行简单的品种混合，生产上也曾有因盲目利用多样性种植而放松病害监测防治，导致病害严重发生的先例（彭云良，2007，私人交流）。因此，除株高、生育期等农艺性状相差不能太大以外，还需要考虑品种间的遗传差异，一般情况下，以遗传差异大的品种混种控病效果较好。另外，Li等［20］曾报道混种品种间存在互作，互作对产量有影响。因此，在进行遗传多样性种植中要因作物、品种、病害而异，先期对品种的遗传差异等进行研究筛选。

本研究关于混合种植对穗重影响的结果显示，混合种植对穗重和千粒重都有增加作用。但穗重增加率与防效之间没有明显相关，这与王秀娜等［13］的研究结果一致，说明病害只是影响穗重的因素之一。千粒重增加率与穗重的增加率没有显著相关性，这与李宁等［20］的试验结果一致，说明混合种植并不是完全通过增加千粒重来对小麦穗重产生影响。

本试验中混合种植对小麦粗蛋白含量的影响研究表明，处理组的粗蛋白含量与对照组相比有显著差异，粗蛋白含量实际值大于理论值的组合占到61.53%，其最高增量达到14.81%，且粗蛋白含量增加的值和处理数都多于粗蛋白含量减少的值和处理数，说明混合种植有增加蛋白质含量的潜力。蛋白质含量变化与控病效果之间呈现显著相关性，这与汪建来等［22］、Sarandon［23］及Sammons和Baenziger［24］的结果大体一致。目前有关混合种植对产物品质影响的研究还比较欠缺，本试验表明，合适的品种混合具有改善品质的效果，且这种改变可能与控病效果相关，即通过减轻由于病害所导致的品质变差来达到改善品质的目的。

在所研究的4个指标中，控病效果最为突出，26个处理中有10个处理的理论值显著高于实际值，其次是千粒重，26个处理中有9个实测值与理论值有显著差异，再次是蛋白质含量和穗重。可见，利用品种混合控病和提高千粒重可以得到较好的效果，通过增加千粒重可以达到增产的目的，这为混合种植的适用范围提供了借鉴。

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中图分类号：S 435.121.46

文献标识码：A

DOI：10.3969／j.issn.0529-1542.2014.03.015

收稿日期：2013-05-01

修订日期：2014-04-14

基金项目：国家重点基础研究发展计划课题（2011CB100403、2006CB100203）；“十一五”国家科技支撑计划课题（2006BAD08A05）；公益性行业（农业）科研专项（3-15）

*通信作者E-mail：xyduan＠ippcaas.cn

Effects of wheat cultivar mixtures on powdery mildew，wheat yield and grain protein content

Xu Tao， Xu Zhi， Xu Yuan， Duan Xiayu
（State Key Laboratory for Biology of Plant Disease and Insect Pests，Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，China）

AbstractTo provide a theoretical basis for the use of mixed planting of wheat cultivars against powdery mildew，the effects of diversified cultivars，selected after wheat SSR analysis，on wheat powdery mildew，the ear weight，one-thousand kernel weight and the crude protein content of wheat were studied.Based on SSR analysis of 37 wheat cultivars and the field performance of the resistance to powdery mildew，eight cultivars were selected and 26 mixtures with three，four，five，six or eight cultivars and their pure stands were tested and arranged with randomized blocks.Artificial inoculation of powdery mildew was applied in the field.The changes of AUDPC value，ear weight and protein content were investigated.The results indicated that the genetic distance was different between the eight cultivars.The four-cultivar mixture displayed the smallest AUDPC with the highest ear weight.The AUDPC value of cultivar mixture was decreased with the proportion of disease-resistant cultivars.Approximately 73%of the cultivar combinations had an effect on powdery mildew.The range of control efficacy was 1.23%－56.65%.The cultivar mixtures did not show negative effects on ear weight，1000-kernel weight and the protein content.Therefore，if the mixtures are properly combined，cultivar mixtures can be used as a measure for powdery mildew control.

Key wordswheat powdery mildew； AUDPC value； ear weight； protein content； 1000-kernel weight