小麦白粉病菌及其抗性基因研究进展

范春捆

（西藏自治区农牧科学院农业研究所，西藏拉萨 850032）

白粉病（Erysiphe graminis D.C.f.sp.Tritici）是小麦的主要病害之一（Bennett FG A，1984），尤其在降雨量大的潮湿地区发病较重。小麦白粉病危害损失较大，严重时致使减产24.54%～35.95%，轻者减产7.69%～15.93%[1]。目前，防治小麦白粉病最有效的技术措施是培育抗病品种，这就促使有关科研工作者广泛发掘种质资源，拓宽小麦遗传基础，挖掘抗性基因。本文综述了小麦白粉菌的形态特征与生物学特性、抗白粉病基因及其来源、小麦近缘物种中抗白粉病基因利用等方面的研究进展，旨在为小麦白粉病的防治与研究提供借鉴。

1 小麦白粉菌形态特征和生物学特性

小麦白粉病，又称禾本科布氏白粉菌小麦专化型（Blumeria graminis）。白粉菌主要寄生在小麦叶片、叶鞘、颖壳等表面，菌丝体以吸器摄取养分维持生长。吸器椭圆形，生有指状分枝。分生孢子梗直立从菌丝体垂直生成，基部膨大成球形，不分枝，无色，顶端产生成串的分生孢子，约10～30个，自顶端向下依次成熟脱落。分生孢子椭圆形，单胞，无色，大小约25～30μm×8～10μm。闭囊壳球形，黑色，直径为135～280μm，外有发育不全的丝状附属丝，闭囊壳内含有9～30个子囊。子囊长圆形或卵形，内含8或4个子囊孢子[2]。

小麦白粉菌以分生孢子或子囊孢子借气流传播，病菌接触寄主表面，在适宜条件下先后长出初生芽管、附着包和侵入丝，进而侵入叶片表皮细胞，生长为吸器，并在寄主体外长出菌丝，发育产生分生孢子梗和分生孢子。

在侵染过程中，分生孢子萌发对温度、湿度、光照等条件要求范围较宽，温度为0.5～34℃，最适为10～17℃；湿度为0%～100%，湿度愈大萌发率愈高，分生孢子侵入寄主的湿度必须在65%以上，湿度愈大发病愈重；光照能促使分生孢子的形成，但紫外线有强烈的杀伤作用；分生孢子在pH 2.2～12.4的范围内都可以萌发，以pH 4.2～7.7最适[3]。

2 小麦抗白粉病基因及其来源

1930年，澳大利亚科学家Waterhouse首次报道了Thew小麦品种中拥有一对显性抗白粉病基因，1950年 Sears，E.R利用缺体材料将 Pm1定位于7AL，之后许多国家研究人员对小麦抗白粉病基因遗传特点和定位进行深入研究。

截至目前，在小麦及其近缘种属中发现80多个抗白粉病基因，正式命名的68个，分别位于40多个位点上，编号Pm1～Pm54。根据小麦抗白粉病基因来源植物种属关系远近，可以分为普通小麦一、二、三级基因库。小麦抗白粉病基因的一级基因库包括普通小麦所有类型；二级基因库包括四倍体栽培小麦（T.timopheevii，2n=28，AAGG）、高大山羊草（Ae.longissima，2n=14，SS）、拟斯卑尔脱山羊草（Ae.speltoides，2n=14，SS 或 BB）、二倍体粗山羊草（Ae.Tauschii， 2n=14，DD）等；三级基因库包括除一、二级基因库以外的植物种属，如黑麦、偃麦草属、冰草属、簇毛麦、披碱草属和新麦草等。

来源于一级基因库的有49个已命名的抗白粉病主要基因，分别为 Pm1a、Pm1b、Pm1c（Pm18）、pm1d、Pm1e（Pm22）、 Pm2a、 Pm2b、 Pm3a、 Pm3b、Pm3c、Pm3d、Pm3e、Pm3f、Pm3g、Pm3h、Pm3i、Pm3j、Pm4a、Pm4b、Pm5a、Pm5b、Pm5c、Pm5d、Pm5e、Pm9、Pm10、 Pm11、 Pm14、 Pm15、 Pm16、 Pm23、 Pm24、Pm25、 Pm26、 Pm28、 Pm30、 Pm31、 Pm33、 Pm36、Pm38、 Pm39、 Pm41、 Pm42、 Pm44、 Pm45、 Pm46、Pm47、Pm50、Pm54。

来源于小麦第二级基因库的抗白粉病基因有11 个，分别是 Pm2、Pm6、Pm12 、Pm13、Pm27、Pm37、Pm1d、Pm32、Pm19、Pm34、Pm35。

来源于小麦第三级基因库的抗白粉病基因有8个，分别是 Pm7、Pm8、Pm17、Pm20、Pm21、Pm29、Pm40、Pm43、Pm 53。

未正式命名的抗白粉病基因13个：PmL962、PmAS846、 PmG16、PmHNK54、Pm2026、PmU、Mlm80、Mlhubel、Mlm2033、MlIW72、MlZecl、 MlIW170、Ml3D232。

3 小麦抗白粉病基因分子标记

分子标记技术由于准确、高效、不受时间、空间限制等特点，在小麦育种、种质资源鉴定等方面已广泛应用，其中PCR分子标记能够反映出DNA遗传多样性和生物种群内及种群间基因组差异的特异性，协助遗传资源的快速筛选，在小麦的抗病育种中应用较多（李灿等，2015）。上世纪90年代初，基于分子标记技术筛选小麦抗白粉病抗基因开始研究与应用，迄今已经对37个基因位点的54个基因进行了标记[4]。

分子标记主要有简单重复序列（Simple sequence repeats，SSR）标记、限制片段长度多态性（Restriction fragment length polymorphisms， RFLP）标记、表达序列标签（Expressed sequence tags，EST）标记、扩增片段长度多态性（Amplified fragment length polymorphisms， AFLP）标记和原位杂交（In situ hybridization）等，本研究主要采用的是SSR标记和原位杂交鉴定。

SSR标记是一种以特异引物PCR为基础的分子标记技术，是一类由1～6个核苷酸为重复单位组成的长达几十个核苷酸的串联重复序列。SSR标记具有以下优点：①数量丰富，覆盖整个基因组，揭示多态性高；②具有多等位基因的特性，提供的信息量大；③以孟德尔方式遗传，呈共显性；④检测方法简单，实验的重复性好；已被广泛应用在物种遗传多样性分析、遗传图谱构建、基因定位、分子标记辅助选择育种、种子纯度及真伪鉴定等研究中。王黎明等以感病品种Chancellor与Pm2的近等基因系杂交获得的分离群体为材料，利用SSR结合分离群体分组法筛选到与小麦抗白粉病基因Pm2紧密连锁的分子标记（王黎明，2011）。刘联正利用SSR分子标记对小麦品种WP6192携带的抗白粉病基因进行了染色体定位和连锁分析将白粉病基因PmWP6192定位于染色体2AL上（刘联正，2012）。另外罗瑛皓等也利用SSR分子标记将小麦抗白粉病基因Pm16定位于5BS染色体上（罗瑛皓，2003）。前人研究结果表明SSR等分子标记在小麦抗病基因的定位和辅助选择育种中有较大的应用潜力。

原位杂交技术是分子遗传学和细胞学相结合而形成的一门交叉学科，是根据核酸分子碱基互补配对的原则。将特定生化物质（如地高辛，同位素等）标记的DNA探针与染色体上经过变性的单链目标DNA进行杂交，形成专一的核酸杂交分子，经相应的检测手段在显微镜下观察探针与染色体上DNA互补位置。原位杂交根据探针的不同分为GISH（Genome in situ hybridization，GISH）和 FISH（Fluorescence in situ hybridization），前者是鉴定染色体，后者鉴定外缘染色质。原位杂交技术可以在染色体上直观地鉴定遗传物质中含有的外源种质，所以广泛应用于生物学的许多领域，目前其在麦类作物的遗传和育种研究中也发挥着重要的作用。首先，利用基因组原位杂交可鉴定麦类真假远缘杂种，目前已有小麦-黑麦杂种、大麦-黑麦杂种等的鉴定（张红军，2000）。第二，利用原位杂交可对麦类作物染色体中异源染色体进行鉴定（马渐新等，1997），第三，原位杂交技术可对染色体易位和交换进行鉴定（王二明等，1997）。另外，原位杂交技术在小麦基因的定位，染色体同源性的鉴别和染色体的空间分布等研究也有很大的帮助（张红军等，2000）。

表1 小麦抗白粉病基因及其分子标记[5-35]

续表1 Continued table 1基因 来源 位点 标记 标记类型 参考文献7D Pm20 黑麦 6BS·6AL Pm21（Pm31） 簇毛麦 6VS·6AL OPH171900 RAPD Qi等（1996）Pm24 普通小麦 1DS XACA/CTA-407 AFLP Huang等（2000）Pm25 野生一粒小麦 1A OPAG4950 RAPD Shi等（1998）Pm26 野生二粒小麦 2BS Xwg516 RFLP Rong等（2000）Pm27 提莫菲维小麦 6B-6G Xpsr154、Xpsr371 RFLP Jarve等（2000）Pm28 普通小麦 1B Pm29 卵穗山羊草 7DL Xwg341、Xpsr129 RFLP Zeller等（2002）Pm30 野生二粒小麦 5BS Xgwm159 SSR Liu等（2002）Pm32 拟斯卑尔脱山羊草 1BL·1SS Pm33 波斯小麦 2BL Xwmc317 SSR Zhu等（2005）Pm34 粗山羊草 5DL Xbarc177-5D、Xbarc144 SSR Miranda等（2006）Pm35 方穗山羊草 5DL Xcfd26 SSR Miranda等（2007）Pm36 野生二粒小麦 5BL XP41M37、Xcfd7 AFLP、SSR Blanco等（2008）Pm37 提莫菲维小麦 7AL Xgwm332、Xwmc790 SSR Perugini等（2007）Pm38 普通小麦 7DS Xgwm1220、BJ280740 SSR、EST-STS Spielmeyer等（2008）Pm39 普通小麦 1BL Xwmc719、Xhbe248 SSR Lillemo等（2008）Pm40 中间偃麦草 7BS Xwmc335、Xgwm297 SSR Luo等（2009）Pm41 野生二粒小麦 3BL Xwmc687、BE489472 SSR、EST-STS Li等（2009）Pm42 野生二粒小麦 2BS Xgwm148、XcauG10、BF146221 SSR、SCAR、EST-STS Hua等（2009）Pm43 中间偃麦草 2DL Xwmc41、Xbarc11 SSR He等（2009）Pm44 普通小麦 3A Pm45 普通小麦 6DS Xmag6176 SSR、STS Ma等（2011）Pm46 普通小麦 5DS Xgwm205/Xmp510 SSR/EST-STS Gao等（2011）Pm47 普通小麦 7BS Xgwm46/BE606897 SSR/EST-STS Xiao等（2013）Pm50 普通小麦 2AL Xgwm294 SSR Mohler等（2013）Pm53 拟斯卑尔脱山羊草 5BL IWA6024/IWA2454 SNP Petersen等（2015）Pm54 普通小麦 6BL Xbarc134 SSR YuanfengHa等（2014）MlZecl Mlm80 Pm19 方穗山羊草Mohler et al.2015 Yao et al.2006 Mlm2033 一粒小麦 7AL Xmag2185/Xgwm344 STS/SSR Yao et al.2006 Mlhubel 斯卑尔脱小麦 2DL Xgwm265 SSR Peng et al.2014 PmU 乌拉尔图小麦 7AL Xwmc273/Xpsp3003/Xcfa2040 SSR Qiu et al.2005 Pm2026 一粒小麦 5AL Xgwm126 SSR Xu et al.2008 Ml3D232 野生二粒小麦 5BL XRGA-6 RGA Zhang et al.2010 MlIW170 野生二粒小麦 2BS Xcau516 STS Liu et al.2012 MlIW72 野生二粒小麦 7AL Xmag2185 STS Ji et al.2008 PmG16 野生二粒小麦 7AL wPt-9217 DART David et al.2010 PmAS846 野生二粒小麦 5BL Xcfp I SSR Xue et al.2012 PmHNK54 普通小麦 2AL Xbarc5 SSR Xu et al.2011 PmL962 中间偃麦草野生二粒小麦一粒小麦2BL 7AL XE35M56-330 Xmag2185/Xgwm344 AFLP STS/SSR 2BS Xwmc314 SSR Shen et al.2015

4 小麦近缘物种中抗白粉病基因利用

在已发现的80多个小麦抗白粉病基因中，13个来源于小麦的近缘种属，如 Pm7、Pm8、Pm17、Pm20来自黑麦，Pm12、Pm53来自拟斯卑尔脱山羊草、Pm29卵穗山羊草、Pm13来自高大山羊草、Pm19、Pm35来自方穗山羊草、Pm34粗山羊草、Pm21来自簇毛麦。在所有小麦抗白粉病基因中，来源于簇毛麦的Pm21已被许多研究证明是目前最有效的小麦抗白粉病基因，对白粉菌所有生理小种表现免疫，同时在遗传背景不同的小麦中均表现稳定。以此育种家们培育了许多含Pm21基因的小麦品种，如扬麦18、扬麦15、南农9918、内麦836、石麦14、绵麦185、绵麦37、贵农775、贵农001、安农0841等。

但随着小麦白粉病生理小种的变化，许多抗病基因已基本显现不出抗性，如 Pm5、Pm7、Pm8、pm3a-f等，近年来在Pm21也有这样的趋势。曹世勤（2010）、赵紫慧（2013）等分别在甘肃、河北发现了对Pm21有毒性菌株，这表明病菌群体毒性与寄主抗病性有着较强的协同进化能力（江峥，2014），单个抗病基因对白粉菌高度的变异性很容易丧失作用。