小麦黑胚病抗性遗传研究进展

李巧云，徐凯歌，牛吉山

(河南农业大学/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450002)

小麦黑胚病(wheat black point)是世界范围内普遍发生的一种小麦籽粒病害。在澳大利亚、加拿大、中国、土耳其、保加利亚、斯洛伐克及其他国家进行过大量报道[1-10]。黑胚病的严重程度随品种、地点、年份及防治措施等因素的不同而变化，各国报道的发病率一般在0.3%～66.7%之间[1-2,4]。近年来，随着种植品种更替、水肥条件改善以及小麦成熟期间气候的变化，该病呈现明显加重的趋势[5]。目前，黄淮麦区生产品种和区试新品系普遍对黑胚病表现为感病[6]。本文对小麦黑胚抗病遗传研究进行综述，以期为抗黑胚病小麦品种的选育提供参考。

1 真菌是小麦黑胚病的主要病原

根据文献报道，从小麦黑胚籽粒上分离到的真菌有Acremoniella、Altemaria、Aureobasidium、Ascochyta、Aspergillus、Bipolaris、Botrvtis、Chaetomium、Cladosporium、Curvularia、Doratomyces、Drechslera、Epicoccum、Exserohilum、Fusarium、Nigrospora、Penicillium、Phoma、Sclerotium、Septoria、Stemphylium、Trichotheciutn等20余属[11-18]，不同地区报道的小麦黑胚病的主要致病菌并不一致[12-18]。近20年来，我国学者在黑胚病病原菌的构成及其分布比例上做了大量工作，但得到的结论不尽相同。如，张天宇等[13]、白金铠等[19]认为根腐平脐蠕孢(BipolarisSorokiniana)不仅是黑胚病的主要致病菌，还造成根腐和穗腐，对小麦的危害最大，而链格孢(Altemariaalternata)不是主要的病菌[13, 19]。代君丽等[15]认为，Altemaria属的真菌(A.alternata、A.tenius、A.teniussima)是河南省小麦黑胚病的主要致病菌。新疆各地也有不少关于小麦黑胚病致病菌的报道，大致认同A.alternata是该病害的优势病原菌，B.sorokiniana也是重要致病菌[13-15]。此外，栾丰刚等[17]和郝敬喆等[20]在吐鲁番分离到嘴突凸脐蠕孢(E.rostratum)。可见，在我国由链格孢(A.alternata)与根腐平脐蠕孢(B.sorokiniana)引起的黑胚病最常见[12-13, 15-18]。也有一些研究报道，黑胚病与真菌侵染无关，如Williamson等[21]指出，黑胚症状与A.alternata侵染无关，而用H2O2和邻苯二酚溶液能诱导成熟籽粒在体外产生黑胚症状，这表明除了真菌的侵染外，黑胚病症状的产生可能与小麦籽粒的一些代谢活动有关。但是，综合多数研究报告的结论，真菌是小麦黑胚病的主要病原。当然，在真菌侵染的过程中，降雨量、大气湿度、温度、露水等气候因素[19, 22-23]，土壤质地、施肥、灌溉、播期与收获时间等栽培因素[9-10, 24-25]，甚至其他病虫危害等因素[12]，也会影响黑胚病发病的严重程度。

2 小麦黑胚病抗性具有数量性状特征

小麦黑胚病抗性表现出数量性状的特点。基因型、地点、年份的互作效应对黑胚病发病率影响很大。Kiliç等[10]用14个硬粒小麦品系在土耳其4个地点进行2年的试验, 分析基因型与环境互作对黑胚病的影响，结果表明，小麦黑胚病的遗传力达到49%，基因型×年份的互作比基因型×地点的互作效应大，基因型×地点×年份的互作效应最大。另有文献报道，小麦对黑胚病的抗性不是由单基因控制的。Southwell等[26]推测硬粒小麦对A.alternata的抗性可能由一个或多个主效基因控制，持续抗性可能是微效基因或修饰基因与一个或多个主效基因互作的结果。我们课题组用盖钧镒的主基因+多基因混合模型分析方法对源于"郑丰9962×郑麦7698"的F2分离群体进行了遗传分析，结果显示，小麦黑胚病抗性由2对主基因+多基因控制，第2对主效基因对B.sorokiniana的抗性表现为负向不完全显性，是基因的加性效应和显性效应共同作用的结果，且加性效应的效应值更大[27]。

小麦对不同致病菌引起的黑胚病的抗病位点也不同。Conner 和Davidson[9]研究了小麦对A.Alternaria和B.sorokiniana所致黑胚病的抗性，两种致病菌对同一小麦品种致病力存在差异，如B.sorokiniana对小麦品种Fielder和Sinton致病力高，而A.alternata的致病力低，说明这两个小麦品种对这两种菌的抗性是受不同的基因控制的。Conner等[28]用抗、感黑胚病硬红粒小麦品种Cadet和Rescue的二体代换系进行B.sorokiniana黑胚病的抗性研究，当感病品种Rescue的5B染色体被抗病品种Cadet的5B染色体代换形成的二体代换系R-C5B受到B.sorokiniana侵染后，黑胚率和抗病品种相似；反之，抗病品种Cadet的5B染色体被感病品种Rescue的5B染色体代换形成的二体代换系C-R5B受到B.sorokiniana侵染后，黑胚率和感病品种相似，说明Cadet对B.sorokiniana黑胚病的抗性是由位于5B染色体上的1个或几个基因决定。此外，该研究还明确了硬红粒小麦对A.Alternaria和B.sorokiniana黑胚病的抗性不相关，对B.sorokiniana黑胚病与B.sorokiniana根腐病的抗性也不相关。Statler等[29]以硬粒小麦品种Leeds(R) 与Golden Ball(S)为亲本，构建正交与反交的F1、F2、F3及回交群体的研究结果表明，小麦对B.sorokiniana黑胚病的抗性与母本影响无关。

3 小麦抗黑胚病QTLs定位研究

许多学者的研究证实，不同小麦品种(系)间黑胚病发病率有较大差异。王会伟等[5]在2003-2005年对河南省生产上大面积推广和新选育的44个小麦品种(系)的黑胚病抗性进行调查后发现，轻感(34.1%)和中感(38.6%)类型占绝大多数，少数为抗病(13.6%)和高感类型(13.6%)，这些抗病品系为小麦黑胚病的抗性遗传研究提供了宝贵的资源。然而，由于小麦黑胚病的抗性鉴定在花后进行时效果较好[25]，故抗病材料的筛选受到时间限制，而且鉴定结果也会受大田环境的影响而不稳定，所以在表型鉴定费时而结果又不太可靠的情况下，应用分子标记辅助选择抗黑胚病小麦品系尤为重要，但目前关于小麦抗黑胚病QTLs定位的文献不多。Lehmensiek等[30]用两个普通小麦DH群体，根据自然发病率定位小麦抗黑胚病QTLs。在源于Sunco(R)×Tasman(S)的DH群体(180个株系)中，在1D、2B、3D、4A、5A和7A染色体上定位到6个QTLs，解释4%～15%的表型变异，抗感亲本中都有抗病QTL，这是群体中一些株系的抗性比抗病亲本高的原因。在Cascades(R)×AUS1408(S)群体(104个株系)中，在2A、2D和7A染色体上定位到3个QTLs，这些QTLs均来自抗病亲本，解释12%～18%的表型变异。如果分别用1个、2个或3个标记在Sunco(R)×Tasman(S)群体中进行抗黑胚病株系选择，阳性单株选出率分别为87.2%、71.9%和53.1%，假阳性率分别为66.3%、51.1%和39.3%，在Cascades(R)×AUS1408(S)群体中，阳性单株选出率分别为83.9%、80.6%和32.3%，假阳性率分别为35.9%、18.9%和0，即用的标记数越多，筛选到的阳性株系越少，丢失的抗病株系越多，但是筛选的阳性株系中抗病株系的比例上升[30]。后来的研究者对这些QTLs及与这些QTLs连锁的分子标记的有效性进行验证。

Christopher等[31]用源于Batavia(S)×Pelsart(R)的DH群体研究分子标记的有效性，其中，Pelsart与Sunco都是Cook的后代，2B染色体上都具有源于提莫菲维小麦(Triticumtimopheevii)的易位片段[32],研究结果表明，SSR标记gwm319(2B) 和wmc048(4AS)与黑胚病抗性相关，这两个分子标记有望在小麦抗黑胚病品种的培育中得到应用。Tah等[33]用4个抗黑胚病品系(Lang、Cascades、SW95-50213和Genaro)和1个感病品系(Cunningham)构建的20个F2群体验证Lehmensiek等[30]定位的源于Sunco亲本的QTLs，同时验证在其他抗病材料中是否有新的抗黑胚病基因(QTL)。抗病小麦品系Lang与Sunco的2B染色体上都具有源于提莫菲维小麦(T.timopheevii)的易位片段，在该研究中，Lehmensiek等[30]定位在2B染色体上与标记wmc35、wmc154 与gwm501连锁的QTL在以Lang为亲本配置的不同的群体中得到验证，而且在比Sunco与Cascades抗性更强的品系SW95-50213的2A染色体上发现新的抗黑胚病QTL[33]。

不同抗感亲本配置的群体都在小麦第2部分同源群上定位到抗黑胚病QTLs[30, 32-33]，表明小麦的第2部分同源群对小麦黑胚病抗性很重要。小麦第2部分同源群与多酚氧化酶(PPO)活性显著相关[34]。由于PPO催化酚类化合物的氧化，黑胚症状的产生机理可能与文献报道的酶促褐变有关[6]。不同群体相符的QTL很少，在很大程度上表明不同的亲本材料有不同的抗黑胚病基因，可以借助分子标记辅助选择累积这些源于不同抗病亲本或感病亲本的抗性QTL，以提高生产中农艺亲本的黑胚病抗性。

4 小麦黑胚病抗性遗传研究存在的问题及对策

真菌是小麦黑胚病的主要致病菌，但是该病发生的严重程度还受到多种环境因素的影响，而小麦对黑胚病的抗性表现出数量性状特点，黑胚病的发病率在不同基因型、品种与年份间变化较大，这给小麦黑胚病的抗性遗传研究带来一定的困难，目前还没有发现小麦黑胚病抗性的分子标记在育种工作中的应用，这也影响了抗黑胚病小麦新品系的选育工作。以下是目前小麦抗黑胚病遗传研究中存在的主要问题及对策。

第一，以自然发病率作为抗感材料筛选的依据，鉴定出的抗病材料未必真的抗病。真菌是小麦黑胚病的主要致病菌，首先应该明确本地区小麦黑胚病的主要致病菌，通过接菌鉴定的方法筛选真正的抗病材料。从2010年开始，本课题组从不同的自然条件下高感黑胚病的小麦品系上，分离、鉴定出10个小麦黑胚病致病菌分离物，它们分属6属8个种，正在通过接菌鉴定筛选抗黑胚病小麦材料。

第二，缺少准确的小麦黑胚病抗性的鉴定方法。除真菌外，小麦黑胚病发生的严重程度受多种环境因素的影响，所以在进行抗病材料筛选与QTL定位研究的表型鉴定时，可靠、可行的小麦黑胚病抗性的鉴定方法与评价体系显得尤为重要，目前文献中尚未见到明确的对小麦进行黑胚病抗性鉴定的方法与评价体系。本课题组通过不同生育期、不同的保湿时间与不同接菌量三个因素分析，建立了优化的接种鉴定技术，采用按照黑胚率将品种抗性分为5个等级的评价标准对小麦材料进行抗性评价。

第三，没有针对明确的病原进行QTLs定位。由于存在寄主-病原互作(即基因-基因抗性)，小麦对不同病原菌引起的黑胚病的抗性机理不一样，如果仅在自然条件下进行黑胚率调查来进行QTLs定位，得到的结果会很不可靠，开发的分子标记也很难在小麦抗病育种中应用，这可能也正是目前国内外对小麦黑胚病抗性遗传研究的最大缺陷，所以，小麦黑胚病的抗性研究必须进行分不同病原菌接种鉴定，使抗病机理研究或者进行抗黑胚病QTLs定位更有针对性，在接菌条件下，针对特定的病原进行QTLs定位，然后在育种中运用分子标记辅助选择技术，将不同的抗病QTLs聚合在同一农艺亲本中，培育抗多种病原或环境因素的品系，这样的抗病品系才能在不同的地点不同年度间维持稳定的抗病性。本课题组已经针对不同的病原菌，筛选出抗、感病材料，配置了组合构建分离群体，为下一步针对抗不同病原菌黑胚病的QTL定位奠定基础。

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