小麦白粉病成株抗性研究现状

李晓华，郭慧娟，畅志坚，张晓军，李欣，乔麟轶，高伟，詹海仙

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院作物科学研究所，作物遗传与分子改良山西省重点实验室，山西太原030031）

小麦白粉病成株抗性研究现状

李晓华1，郭慧娟2，畅志坚2，张晓军2，李欣2，乔麟轶2，高伟2，詹海仙2

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院作物科学研究所，作物遗传与分子改良山西省重点实验室，山西太原030031）

由白粉菌引起的小麦白粉病是一种世界性病害。培育抗病品种是防治小麦病害最有效的措施，而合理利用小麦白粉病成株抗性基因对小麦持久抗病育种十分重要。从小麦白粉病成株抗性研究现状出发，分析了小麦白粉病致病机理、抗病基因鉴定、基因定位及成株抗白粉病基因有效利用，可为我国小麦白粉病持久抗性研究提供极大的便利。

小麦；白粉病；成株抗性；致病机理；基因定位

小麦白粉病是由白粉菌（Blumeria graminisf.sp. tritici）导致的一种在小麦种植区普遍存在的病害。目前，小麦白粉病发病面积逐年增加，小麦产量损失严重。不断培育抗病品种是防治小麦病害最实用的方法之一，而合理利用成株抗性基因是培育持久、稳定抗性品种的关键。因此，对小麦白粉病全株抗性的现状、致病机理、鉴定方法、抗病基因定位技术及成株抗性基因应用等方面的研究，为小麦白粉病成株抗性基因的利用提供了极大的便利，使小麦白粉病成株抗性品种的培育更近一步。

1 小麦白粉病概况及其抗病基因研究意义

白粉病属于在温带气候和海洋性气候地区发病比较严重的一种小麦病害，如欧洲、北美、南美、非洲和我国均有发生。随着半矮秆和高产小麦品种的不断推广和种植，以及高水平氮肥的使用，小麦白粉病发生的频率及其严重度逐年增加[1]。染病后的小麦易倒伏，发病严重时植物生长受阻，不抽穗或者抽穗短小，最终使麦粒不饱满，导致小麦产量严重降低，估计白粉病造成的损失在5%～34%。自20世纪80年代起它已在我国大面积传播，而我国大多数的小麦品种易感病。据报道，2005—2008年平均每年有690万hm2的小麦受白粉病的危害，小麦白粉病现已成为我国冬小麦的主要病害之一[2-4]。

白粉菌生理小种复杂，变异快，繁殖能力强，易造成主效抗病基因丧失，防治、控制这种病害，挖掘小麦产量及质量的潜力是一项重要而长期的任务。虽然化学药剂防治和栽培措施的改进能够在一定程度上缓解白粉病带来的危害，但选育和应用抗病品种防治白粉病带来的损失是最经济、最有效和最安全的措施。而小麦抗性品种选育成功的关键是筛选抗源，选择优异抗病基因[5]。

2 小麦白粉病抗性类型、鉴定方法及作用机理

2.1 小麦白粉病抗性类型

小麦白粉病主要包括2种类型：一种是生理小种专化性抗性，主要涉及过敏反应和基因表达的基因间的相互作用[6]。这种相互作用对病原菌致命突变增加或者降低已经存在的致命小种频率，施加强大的选择压力。基因组合、重要基因部署和多品种的基因是延长专化抗性的建议性方法，同时丰富有效的基因是必要的优化部署。大多数正式命名的抗白粉病基因属于小种专化抗性[7]。第2种类型是非小种专化抗性，这种抗性通常在成株期长期有效，潜伏期长，感染率低，产生孢子更小。这种类型的抗性又叫植物成株抗性或慢白粉病抗性，大多数的植物成株抗性基因表现出非特异性的小种特点。虽然非特异性耐药的发病时间和有效性水平随生育期和环境的变化而变化，人们普遍认为，高水平的抗性可以通过结合所谓小基因的耐药性实现。当3～5个小基因组合时，通常会达到足够的抗性水平。有研究表明，当品种表现出足够抗性水平，进而对这种抗性进行基因分析，有半定量遗传迹象，随后的研究估计有3个或更多的互动基因参与[8]。由于抗性不免疫，大大降低了对病原菌的选择压力，从而减少新的致命突变体增加的可能性，导致抗性更持久。研究证明，白粉病非小种抗性比小种抗性更持久，如：我国地方品种平原50，从CIMMYT种质资源选择的美国品种Anza，墨西哥品种Pavon 76在长时间里已经表现出了温和、稳定的抗性。正式编号的白粉病抗性基因仅有Pm38，Pm39和Pm46这3个赋予植物成株抗性[9-10]。

2.2 小麦白粉病成株抗性鉴定方法

通常以反应型、AUDPC和最大严重度3个指标来鉴定小麦白粉病成株抗性[11-13]。小麦白粉病成株抗性在苗期通常表现为感病，成株期表现为中抗或高抗，此时该小麦品种的反应型可能是高感，但可能性较小，有一定的局限性。现在使用最多的鉴定指标是AUDPC，需要多次对病害进行调查研究，然后利用公式统计发病后小麦病害的发生面积，从而判断病害的发展情况。由于该指标的测定工作量较大，通常需要多年多地点测定，有一定的局限性。近年来，最大严重度的的利用使多环境下研究成株抗性成为现实，最大严重度和病害发展曲线下面积（AUDPC）相关系数变化通常在0.89～0.96，仅为AUDPC工作量的1/4～1/3，为育种工作者带来了极大的便利[14]。

2.3 小麦白粉病成株抗性作用机理

在植物成株期阻止病原菌的侵染、生长和繁殖的现象称为植物成株抗性[15]。小的抗性基因往往是非小种专化的，因此赋予持久的抵抗力。然而，很少有关于功能性、结合性或者小抗性基因潜在的持久性的信息能够解释目前已知的抗病性的分子机制。到目前为止，Pm38成株抗性基因的克隆提出了一组功能上不同的基因异质群。Pm38编码一个ABC转运的同源蛋白，一个TransKingdom超家族的跨膜蛋白包括在细胞膜上的各种各样的基质的运输。除了非NBS-LRR结构和长期的耐久性，其他证据表明，Pm38赋予的部分抗性是真正非小种专化抗性[6]。实验证明，小麦成株抗性作用机理与其他作物基本相同，如Lr34/Yrl8/Pm38这3个位点的成株抗性作用途径与拟南芥非寄主抗大麦白粉病基因PEN3相似，都是通过基因运输的一些与抗性相关的代谢物来影响病原菌的生长，从而达到抗病的目的[16]。与模式植物如水稻、拟南芥等相比，小麦基因组庞大、重复序列多及全基因组测序尚未完成。因此，小麦成株抗性研究进展较慢，深度也不足，需要进一步努力。

3 小麦白粉病成株抗性基因定位方法

3.1 分子标记技术

在过去的20 a中，分子标记技术已广泛应用在白粉病成株抗性基因鉴定中。随着先进技术的发展，标记类型包括限制性片段长度多态性（RFLP）、随机扩增多态性DNA（RAPD），扩增片段长度多态性（AFLP）、简单重复序列（SSR）、特定序列扩增（SCAR）、序列标签位点（STS）等[17-18]。

在这些方法中，RFLP标记是应用最早的一类DNA分子标记，它的标记大多数是显性的，限制低拷贝序列区域。HSAM等[19]用此技术证明了Pm17与RFLP标记的IAG95紧密连锁。RAPD标记通常占主导地位，能对未知序列的基因组进行多态性分析。通过对Pm13易位系进行分析，CENCI等[20]用随机扩增多态性DNA技术发现，标记OPX12为抗白粉病基因Pm13的特异标记；刘金元等[21]对抗白粉病基因Pm12载体品种构建的近等基因系进行分析，筛选出分子标记OP1041700与Pm12连锁紧密。与上述2个方法相比，在全基因组水平上AFLP标记有较高的重复性和分辨率。由于SSR标记具有共显性，重复性、精确度高，具有高水平的多态性和染色体的特异性，且易操作评估，因此，成为20世纪90年代末首选的方法，在小麦白粉病基因定位方面发挥了重要作用，如Pm2，Pm4，Pm16，Pm40，Pm42和Pm51等[22]。SCAR标记是在RAPD扩增产物测序的基础上，设计一对新的引物特异地扩增原引物可扩增的DNA片段，具有共显、可靠、检测量大、稳定性高和重复性好等优点。SCAR1400为小麦白粉病抗病基因Pm21的特异分子标记[23]。STS标记其多态性是由亲本间的特异PCR产物产生的。这类标记的多态性较低，在基因组作图方面具有重要作用。王俊美等[24]通过分析Pm4的STS标记，明确特异分子标记在小麦抗病分子标记辅助育种中作用。YAO等[25]将与抗白粉病基因Pm1a紧密连锁的RFLP标记，转化成特异STS标记，明确了Mlm2033,Mlm80和Pmla 3个小麦抗白粉病基因之间的位置关系。

3.2 新型分子标记技术

最近，高生产量技术（DArT），单核苷酸多态性（SNP）和基于测序的基因分型（GBS）技术已成为主要的基因型分型平台，这些新型分子标记技术的挖掘，将逐渐应用到小麦白粉病成株抗性基因的研究中。DArT是一种依赖于基因芯片杂交基础之上的新型分子标记技术，具有省时、高通量、成本较低、无需预知研究对象序列等优点。然而，所有的DArT标记是显性的，需要确定其确切的SSR标记染色体位置，一些DArT的标记已定位于物理图谱上。SNP分析与基于区分大小的检测相比，能直接指出序列变异，减少基因分型错误。根据种群进化史的调查和标记性状关联发现，SNP非常适合于高分辨率遗传图谱的构建[6]。

3.3 QTL作图

常规性QTL作图是一种用于识别白粉病成株抗性遗传位点的有效工具，QTL的数量、遗传效应和位置可以用来对分子标记的遗传连锁图谱做群体分离。到目前为止，该技术已经从21条小麦染色体上定位出119个白粉病成株抗性数量性状位点（表1～3）[26-29]。其中，B基因组含有49个抗性位点，比A和D基因组多，A和D基因组分别含有40，30个抗性位点，位于2B染色体上的位点最多，有11个，6B次之，有8个成株抗性位点。这些QTL大多是相同或密切相关的基因，在植物育种中可能由病圃中的表型选择转化为多样的背景。8个白粉病成株抗性QTL簇被定位于染色体1AS，1AL，2AS，2AL，3AS，4AL，5AL和5BS；有趣的是，他们中的大多数都是在A基因组中[6]，还有16个兼抗条锈病和白粉病的成株抗性QTL位点，11个兼抗叶锈病、条锈病和白粉病的位点。

表1 小麦A基因组白粉病成株抗性基因位点

续表1

表2 小麦B基因组白粉病成株抗性基因位点

续表2

表3 小麦D基因组白粉病成株抗性基因位点

4 小麦成株抗性基因的研究应用

CIMMYT的成株抗性育种已有超过40 a的历史，最早是曾士迈提出的针对小麦品种抗锈性丧失现象，认为近年来科研人员在育种过程中重视垂直抗性作用，忽视水平抗性作用，使植物抗性逐步丧失，同时针对小麦条锈病提出水平抗性综合分析策略，开辟了植物水平抗性研究的先河。抗性持久稳定的白粉病成株抗性小麦品种Knox，在小麦育种界掀起新的浪潮。有不少学者通过对白粉病成株抗性基因进行定位分析，为成株抗性品种在生产上大面积推广奠定了基础。如通过鲁麦21和百农64杂交，利用QTL定位分析鲁麦21和百农64白粉病成株抗性，这是多年来在我国有竞争性的品种[30]。但是，直到1980年成株抗性QTL遗传图谱成功构建并将之用于小麦抗病育种后，才使得大规模培育小麦近免疫高产品种成为可能。当前，常规育种与分子标记相结合已逐渐成为一种新型的育种方式。首先，用大量的优良品种和高代品系在田间进行抗病鉴定，并用基因推导的方法确定白粉病成株抗性的基因型；然后选用具有50 a成株抗性的优良冬小麦品种和地方品种，进行数量性状位点分析；最后使用分子标记法，通过优良品种回交把数量性状位点转移并聚合到同一优良品种中。如：在前期对鲁麦21和百农64遗传分析的基础上，BAI等[31]将鲁麦21与百农64杂交结合QTL鉴定，将其对白粉病的成株抗性聚合在一起，在21个F6选系中含有3～5个微效QTL位点。其中，来自百农64的2个成株抗性数量性状位点在减少白粉病灾害上具有重要作用，而且把这2个QTL与来自鲁麦21的其他QTL聚合将获得具有高的近免疫水平抗性的品种[32]。研究证明，聚合QTL可以繁殖高持久抗性的小麦品种。

5 结论

近年来，随着毒性更强、毒谱更广的小麦病菌小种不断出现，小麦垂直抗性基因逐渐丧失抗性，水平抗性基因逐渐表现出一定的优势，利用成株抗性是未来实现品种兼抗和持久抗性的最佳选择。尽管可以假定水平抗性比垂直抗性更持久，但还有一些成株抗性基因是小种专化型的，在将来还会有更多这样的基因被证实，成株抗性基因Lr13发布后仅仅几年的时间便在美国和加拿大丧失抗性。不过还有许多成株抗性基因抗性比较持久，如Pm38，Pm39。随着分子技术的发展，分子标记类型不断增加，测序技术不断发展。随着小麦全基因组测序工作的不断完善，注定更多的成株抗性基因将被发现并克隆，从而使白粉病抗性基因准确鉴定、有效定位成为可能。由于小麦白粉病原菌小种易变异，单个抗病基因的抗性易丧失，不断挖掘新的抗病基因和抗源，并加强对非小种特异性抗性基因及它们之间相互作用的理解，逐步使他们越来越多地作为一种替代单一或联合的主要基因使用，通过QTL或利用基因聚合选育抗病持久植株，是我国小麦抗性育种工作者奋斗的目标，也是目前小麦抗性育种的基础与核心。

［1］张跃进，姜玉英，冯晓东，等.2009年全国农作物重大病虫害发生趋势[J].中国植保导刊，2009，29（3）：33-35.

［2］何中虎，兰彩霞，陈新民，等.小麦条锈病和白粉病成株抗性研究进展与展望[J].中国农业科学，2011，44（11）：2193-2215.

［3］LEATH S，BOWEN K L.Effects of powdery mildew，triadimenol seed treatment，and triadimefon foliar sprays on yield of winter wheat in North Carolina[J].Phytopathology，1989，79（2）：152-155.

［4］ASADMA，BAI B，LAN C X，et al.Molecular mappingof quantitative trait loci for adult-plant resistance to powdery mildewin Italian wheat cultivar Libellula[J].Crop Pasture Science，2012，63（6）：539-546.

［5］谢超，杨作民，孙其信.小麦抗白粉病基因[J].西北植物学报，2003，23（5）：822-829.

［6］胡延吉.植物育种学[M].北京：高等教育出版社，2003：179-192.

［7］LI Z F，LAN C X，HE Z H，et al.Overview and application of QTL for adult plant resistance to leaf rust and powdery mildew in wheat [J].Crop Science，2014，54（5）：1907-1925.

［8］DEVOSK M，GALE MD.The use of randomamplified polymorphic DNA markers in wheat[J].Theoretical Applied Genetics，1992，84（5）：567-572.

［9］HSAM S L K，ZELLER F J.Gene-specific markers for the wheat gene Lr34/Yr18/Pm38 which confers resistance to multiple fungal pathogens[J].Theor Appl Genet，2009，119（5）：889-898.

［10］GAO H D，ZHU F F，JIANG Y J，et al.Genetic analysis and molecular mapping of a new powdery mildew resistant gene Pm46 in common wheat[J].Theoretical Applied Genetics，2012，125（5）：967-973.

［11］SINGH R P，HUERTA-ESPINO J，WILLIAM H M.Genetics and breeding for durable resistance to leaf and stripe rusts in wheat[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry，2005，29（2）：121-127.

［12］BJARKO M E，LINE R F.Heritability and number of genes controlling leaf rust resistance in four cultivars of wheat[J].Phytopathology，1988，78（4）：457-461.

［13］盛宝钦.用反应型记载小麦苗期白粉病[J].植物保护，1988，14（1）：49.

［14］DONINI P，KOEBNER R M D，CEOLONI C.Cytogenetic and molecular mapping of the wheat-Aegilops longissima chromatin breakpoints in powdery mildew resistant introgression lines[J]. Theoretical and Applied Genetics，1995，91（5）：738-743.

［15］郝中娜，张红志，李永刚，等.植物成株抗性的机理研究[J].浙江农业学报，2007，19（6）：457-462．

［16］KRATTINGER S G，LAGUDAH E S，SPIELMEYER W，et al.A putative ABC transporter confers durable resistance to multiple fungal pathogens in wheat[J].Science，2009，323：1360-1363.

［17］桑大军，许为钢，胡琳，等.河南省小麦品种白粉病抗性基因的分子鉴定及分子标记辅助育种[J].华北农学报，2006，21（1）：86-91.

［18］高安礼，何华纲，陈佩度，等.分子标记辅助选择小麦抗白粉病基因Pm2，Pm4a和Pm21的聚合体[J].作物学报，2005，31（11）：1400-1405.

［19］HSAMS L K，LAPOCHKINA I F，ZELLER F J.Chromosomal location of genes for resistance to powdery mildew in common wheat（Triticum aestivum L.emThell.）8.GenePm32 in awheat-Aegilops speltoides translocationline[J].Euphytica，2003，133（3）：367-370.

［20］CENCI A D，OVIDIO R，TANZARELLA O A，et al.Identification of molecular markers linked to Pml3，an Aegilops longissima gene conferring resistance to powdery mildew in wheat[J].Theoretical and Applied Genetics，1999，98（3）：448-454.

［21］刘金元，陶文静.与小麦白粉病抗性基因Pm2紧密连锁的RAPD标记的筛选研究[J].遗传学报，2000，7（2）：139-145.

［22］ZHAN H X，LI G R，ZHANG X J，et al.Chromosomal location and comparative genomics analysis of powdery mildew resistance gene Pm51 in a putative wheat-Thinopyrum ponticum introgression line [J].Plon One，2014，9（11）：e113455.

［23］LIU Z Y，SUN Q X，NI Z F，et al.Development of SCAR makers linked tothe Pm21 gene conferringresistance topowderymildewin common wheat[J].Plant Breed，1999，118（3）：215-219.

［24］王俊美，柴春月，刘红彦.小麦白粉病基因Pm4三个STS标记的实用性分析[J].河南农业科学，2005（4）：38-41.

［25］YAO G Q，ZHANG J L，YANG L L，et al.Genetic mapping of two powderymildewresistance genes in einkorn（Triiticum monococcum L.）accession[J].Theoretical and Applied Genetics，2007，114（2）：351-358.

［26］刘慧远，何中虎，王竹林.普通小麦白粉病成株抗性的QTL分析[J].作物学报，2006，32（2）：197-202.

［27］霍纳新，周荣华，张丽芳，等.小麦白粉病抗性QTL分析[J].作物学报，2005，31（6）：692-696.

［28］黄清华，景蕊莲，吴新元.普通小麦白粉病成株抗性的QTl分析[J].中国农业科学，2008，41（8）：2528-2536.

［29］张坤普，赵亮，海燕.小麦白粉病成株抗性和抗倒伏性及穗下节长度的QTL定位[J].作物学报，2008，34（8）：1350-1357.

［30］LAN C X，LIANG S S，WANG Z L，et al.Quantitative trait loci mapping for adult-plant resistance against powdery mildew in Chinese wheat cultivar Bainong 64[J].Phytopathology，2009，99（10）：1121-1126.

［31］BAI B，HE ZH，ASADMA，et al.Pyramidingadult-plant powdery mildewresistance QTLs in bread wheat[J].Crop Pasture Science，2012，63（7）：606-611.

［32］王新宇，陈佩度，张守忠.小麦白粉病抗病基因的聚合及其分子标记辅助选择[J].遗传学报，2001，28（7）：640-646.

Research Status on Adult-plant Resistance to Wheat Powdery Mildew

LI Xiaohua1，GUOHuijuan2，CHANGZhijian2，ZHANGXiaojun2，LI Xin2，QIAOLinyi2，GAOWei2，ZHANHaixian2
（1.College ofBioengineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Shanxi Province KeyLaboratoryofCrop Genetics and Molecular Improvement，Institute ofCrop Sciences，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

Powdery mildew caused by Blumeria graminis f.sp.tritici is a major wheat disease worldwide.The most effective strategies of controlling the disease and reducing yield loss are the breeding of resistant varieties.The reasonable use of adult-plant resistance（APR）genes is very important for the development of durable resistant cultivars.From the status in APR to wheat powdery mildew,the paper analyzed the pathogenic mechanism,identification methods,localization of resistance genes and application of APR genes.This studyprovides convenience for APR topowderymildewin wheat．

wheat;powderymildew;adult-plant resistance;pathogenic mechanism;gene mapping

S435.121.4＋6

A

1002-2481（2017）04-0653-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.40

2016-11-10

山西省国际合作项目（201603D421003）；山西省科技攻关项目（20150311001-1）；山西省青年科技研究基金项目（2015021145）；山西省农业科学院重点项目（YGG1602）

李晓华（1992-），女，山西翼城人，在读硕士，研究方向：小麦抗病基因定位研究。詹海仙为通信作者。