大赖草染色体对小麦农艺性状和抗病、耐热性的效应研究

解睿 温辉芹 裴自友 曹亚萍 程天灵 张立生 李雪 朱玫

摘要：大赖草（Leymus racemosus，2n=4x=28，NsNsXmXm）具有大穗、多花、抗旱和抗多种病害等优良特性，是小麦改良的重要亲缘物种。前人已经通过染色体工程育成一批小麦—大赖草异染色体系，但是大赖草染色体对小麦主要农艺性状、抗病性和耐热性的效应分析尚鲜有报道。本研究通过人工接种或自然发病抗性鉴定，以分期播种模拟高温胁迫环境并通过千粒重变化评价耐热性，收获后调查主要农艺性状和再生习性，对10个小麦—大赖草异染色体系和小麦亲本‘中国春进行了综合鉴定。结果表明，10个异染色体系在苗期对白粉病均表现高感，成株期抗性较‘中国春有所改善，但未发现高抗白粉病材料；对条锈病抗性均优于‘中国春。研究还发现，大赖草H染色体有增加穗长、小穗数、提早抽穗期和增加黄矮病抗性的效应，H、A染色体具有增加耐热性的效应，J染色体对粒长、粒宽和粒厚均有正向效应，A、L染色体含有控制芒的基因，F染色体具有再生性和复小穗基因。综合上述研究表明，小麦—大赖草异附加系DALr#A、DALr#F、DALr#H、DALr#J可用于小麦农艺性状、黄矮病、条锈病和耐热性的抗性改良。

关键词：小麦；大赖草；异染色体系；农艺性状；抗病性；耐热性

中图分类号：S512.1

文献标志码：A

论文编号：cjas15010010

0引言

随着小麦单产水平的提高，育成品种的遗传基础日益狭窄，为丰富小麦的遗传多样性，培育抗病、抗逆、优质、环境友好型的高产稳产小麦品种，应对未来小麦生产水平面临生物和非生物胁迫的挑战，迫切需要从小麦近缘种属中导入优异基因资源。黑麦是最早也是最成功用于小麦改良的物种，其中很多基因在小麦生产上发挥了重要作用，如黑麦IR染色体携有抗病、大穗、多小穗基因，其已被广泛用于育种中，育成为数众多的高产、抗病、广适的小麦品种。来源于簇毛麦6VS上的抗白粉病基因Pm21，表现抗性强、抗谱广，能抗目前流行的所有白粉菌生理小种，同时6VS/6AL易位对后代品系的干粒重表现出了一定的正向效应，已成为育种上重要的抗源材料，并育成‘石麦14、‘扬麦18和‘内麦8号-‘内麦11号等高抗白粉病小麦新品种。中国农科院作物所等单位将中间偃麦草的抗黄矮病基因和冰草的多粒基因导入小麦并育成品种。因此，通过远缘杂交、染色体工程技术将小麦近缘种属的优异基因导入到普通小麦基因组内，是拓宽小麦遗传基础，提升小麦产量、品质和抗性水平的重要手段之一。

大 赖 草 （Leymus racemosus， 2n=4x=28，NsNsXmXm）为多年生小麦近缘植物，广泛分布于中亚和东欧，在海岸、沙丘中最为常见。具有大穗、多花、耐盐、耐瘠、抗旱和抗多种病害等优良特性，前人主要开展了将大赖草抗赤霉病基因导入到普通小麦中的研究，育成了小麦—大赖草附加系、抗赤霉病易位系，定位了耐铝、耐盐、减少温室气体排放、光合特性和产量性状效应的染色体。但对大赖草的黄矮病、白粉病、条锈病等抗性及主要农艺性状、籽粒大小、耐热性相关基因的染色体定位还未经报道。

本研究通过对大赖草异染色体系农艺性状和抗病、耐热性等的调查，了解大赖草不同染色体对小麦性状的影响，初步定位抗病、耐热及农艺性状相关基因所在的染色体，以期为今后进一步利用大赖草进行小麦遗传改良提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

本研究所用材料见表1，包括‘中国春（ChineseSpring）1份，由本所保存，‘中国春—大赖草异染色体系10份，其中包括9份‘中国春—大赖草二体附加系、1份‘中国春—大赖草二体代换系，由日本鸟取大学辻本壽教授惠赠。附加或代换的大赖草染色体用DALr#或DSLr#加上英文字母来表示。

1.2试验方法

1.2.1试验设计 试验于2013-2014年度在晋中市东阳镇山西省农业科学院试验基地温室大棚和大田进行。温室大棚于2013年11月23日种植，1行区，每行15株，株距10cm，行距28cm，行长1.5m，2次重复，田间管理按常规进行。大田分两期春季播种，行距30cm，每行均匀点播30粒种子，行长2m，1行区，2次重复。分别于2014年2月21日（正常播期）和2014年3月21日（第二播期）播种，其中以正常播期代表非胁迫环境，晚播代表高温胁迫环境。

1.2.2抗病性鉴定 分苗期和成株期在营养钵和温室大棚接种白粉病菌株E09（由中国农业科学院植物保护研究所周益林研究员提供），鉴定白粉病抗性，分级标准参照盛宝钦等，同时考察大田自然发病情况。利用种植于课题组试验田中央区的山西省农科院植保所小麦品种条锈病鉴定圃（人工接种条锈病混合菌种）发病后自然传播，反应型分6级进行条锈病发病鉴定。黄矮病鉴定在临汾市山西省农科院小麦研究所进行，取感染BYDV的GAV株系的小麦幼苗离体叶段，使麦二叉蚜饲毒24h，4月4日（小麦起身期）对试验材料全部进行分株接种，每株接种一个叶段，每段蚜量5-8头，2天后杀灭毒蚜，于5月初调查旗叶发病情况。

1.2.3耐热性调查和分级 参照张立生等方法，耐热系数=春播第2期千粒重/春播第1期千粒重。成熟后正常收割，观察是否有新生分蘖长出及其再生表现，来评价再生性。

1.2.4农艺性状调查 调查抽穗期（正常春播）、旗叶长宽（温室），温室成熟后收获，测量株高、穗长和小穗数，同时用游标卡尺测量种子长度、宽度和厚度，每份测定10粒。

2结果与分析

2.1大赖草不同染色体对小麦农艺性状的影响

从表2可以看出，正常春播条件下，H、I、J和N染色体附加对提早抽穗期具有正向效应，其中H染色体附加可以使抽穗期提早3天。除附加系DALr#A、DALr#L表现为有芒外，其他异染色体系均为无芒，推测大赖草第2部分同源染色体上可能携带有控制芒的基因。

H和N染色体附加，有降低株高的显著效应，推测H和N染色体可能携带有矮秆基因，H染色体代换却有增加株高的效应，推测可能是受其他基因的抑制。所有异染色体系的穗长均高于亲本‘中国春，说明大赖草A-N染色体对小麦穗长具有正向效应。H染色体代换具有增加小穗数的最大正向效应，仅N染色体对小穗数表现负向效应，可能具有使穗变小的基因。通过对H染色体附加系和代换系穗长和小穗数的比较发现，DALr#H的穗长和小穗数均低于DSLr#H，说明H染色体代换比附加对穗部性状影响正向效应更大。

籽粒大小与粒重密切相关，6条大赖草染色体对小麦籽粒长度有正向效应，依效应大小为：L>E>J>H>A>K，DALr#L比‘中国春籽粒长度增加21.51%，H染色体的附加或代换对籽粒长度的效应大致相同。仅有DALr#J的籽粒宽度大于‘中国春，2个染色体附加系籽粒厚度高于‘中国春，分别是DALr#1和DALr#J。可以看出，大赖草J染色体对粒长、粒宽和粒厚均有正向效应。

DALr#F表现出再生特性，表明，F染色体含有再生基因，同时，DALr#F有复小穗出现，可以增加单穗粒数，从而增加穗粒重。F、J、K染色体含可增加旗叶长度和宽度的基因，相应的增加了叶面积。

2.2大赖草染色体对抗病、耐热性的影响

抗病性鉴定结果见表3，可以看出，A-N染色体均没有增加苗期白粉病抗性的效应，说明不含抗白粉病E09的基因；成株期抗性显示所有大赖草染色体均提高了对白粉病的抗性，其中，大赖草F-N染色体的效应均高于A和E染色体，但均不含使背景亲本‘中国春表现高抗或免疫的基因，说明大赖草的成株期白粉病抗性可能受多条染色体控制。白然发病条件下10个异染色体系的成株期条锈病抗性均优于‘中国春，初步说明附加或代换的大赖草染色体均有增加小麦条锈病抗性的正向效应。大赖草H染色体附加系对黄矮病抗性具有正向效应，而A、E、I、J染色体具有负向效应，通过H染色体的附加系和代换系抗黄矮病性的比较发现，DALr#H抗性高于DSLr#H。

耐热性分析发现，仅大赖草H和A染色体附加系耐热系数高于‘中国春，表现耐热性好于‘中国春，其中DALr#H表现耐热性1级；其余异染色体系多为2级，仅DALr#L为3级，显示，L染色体对耐热性表现负向效应。同时也可以看出，‘中国春作为小麦地方品种，具有一定的耐热性。

3结论与讨论

大赖草作为改良小麦的重要近缘植物，迄今有关小麦-大赖草异染色体系抗白粉病、黄矮病、条锈病、耐热等特性的研究还未见报道。本研究通过抗病、耐热性和农艺性状测定，对小麦-赖草二体附加系和二体代换系进行了初步分析，结果表明，10份异染色体系中均未发现含苗期抗白粉病基因的大赖草染色体，其对白粉病E09小种的抗性均表现为4级（高感）。大赖草H附加系黄矮病抗性、耐热性都为1级，可能具有提高黄矮病抗性和耐热性基因。同时，H染色体可以增加穗长和小穗数，通过H染色体的附加或代换可以分别增加穗长4.8cm、5.8cm，增加小穗数3个、6个，H染色体附加还具有提早抽穗期（3天）、降低株高（22.5cm）的效应。发现大赖草L染色体能够显著增加籽粒长度，可增加粒长1.28mm，比‘中国春高出21.51%。发现大赖草F染色体具有复小穗和再生性基因，对提高小麦产量潜力具有正效应。

与李玉京研究一致，本研究发现属于第二部分同源群的A和L染色体附加系均表现有芒，因此，大赖草第二部分同源群染色体含控制芒的基因，同时，发现A染色体含提高耐热性基因。Lammer等报道长穗偃麦草的分蘖再生特性受其中4E染色体控制，本研究同样是第4部分同源群的大赖草F染色体附加系具有分蘖再生特性，但同属第4群的E染色体却不具有再生特性，推测研究所用四倍体大赖草仅一组染色体与再生性有关。J染色体可分别增加粒长、粒宽和粒厚0.25、0.08、0.06mm，含有增加籽粒大小的基因，从而增加单穗粒重，提高产量。

试验研究了自然发病条件下条锈病的抗性，需要进一步人工接种鉴定；在对白粉病人工接种时仅利用了流行的白粉病菌株E09，由于条件所限没有进一步利用其他小种进行鉴定，考虑到白粉病小种的专化性强，今后需要在苗期、成株期接种现有的不同白粉病生理小种，以期了解大赖草染色体对各白粉病、条锈病生理小种的抗性。此外，由于目前现有的小麦-大赖草二体异附加系尚不成整套，已育成的仅有9个，尚缺5个，这对深入发掘和全面准确评价每条大赖草染色体上所含的优异基因极为不利。

小麦的产量是由单位面积穗数、穗粒数和千粒重三要素决定的，适当的增加穗粒数是今后提高小麦产量的关键措施。复小穗（正常小穗上附生可育无柄小穗）在不增加穗长的情况下，可以增加穗粒数，从而增加小麦产量。本研究中大赖草F染色体具有产生稳定遗传、可育同轴节复小穗的染色体效应，因此利用本研究发现的大赖草多花、大穗、大粒、抗黄矮病、耐热等基因，可进一步选育大穗大粒、抗病、耐热高产易位系，并利用分子染色体工程技术高效地鉴定、跟踪和转移大赖草中的优异基因，使其在小麦遗传改良中发挥作用。