小麦成株期抗叶锈病基因研究进展

隋新霞，崔德周，张荣亭，樊庆琦，布玉成，李永波，黄琛，楚秀生

（1.山东省农业科学院作物研究所，山东 济南 250100；2.济南市农业科学研究院，山东 济南 250316；3.临邑县农业农村局，山东 临邑 251500）

小麦叶锈病是由小麦叶锈菌（Puccinia tirticina）引起的真菌性气传病害，是世界性广泛发生的病害之一，美国南部、南美洲、加拿大、埃及和我国大部分麦区均为该病重要流行区［1-3］。小麦叶锈病菌主要通过侵染小麦叶片影响光合作用，进而影响籽粒灌浆，导致千粒重降低，通常会造成10%～40%的减产，严重年份甚至造成绝产［1-3］。20世纪70年代，墨西哥西北部发生严重叶锈病，造成减产70%［4］。2015年、2016年我国黄淮麦区叶锈病发生比通常年份早1个月。2015年全国麦区叶锈病大发生，其中河南省大面积麦田叶片在几天内快速干枯死亡，严重影响小麦正常灌浆，造成严重损失［5］。随着全球气候的变化，叶锈病已经由偶发性病害变成常发性病害。

选育和利用抗叶锈病品种，是防治该病最为经济有效和环境友好的策略。小麦抗叶锈病基因研究，为其抗病品种培育提供了重要基础。20世纪60年代，国际玉米小麦改良中心（CIMMYT）最早改变其抗病基因研究利用思路，探索成株期抗病基因的研究和利用，50多年的实践证明，成株期抗病基因的利用是培育持久抗病品种的重要途径［6-8］。

1 小麦抗叶锈病基因的类型

一般来说，小麦抗叶锈病基因主要有两种类型：一类是全生育期抗性基因，也称为苗期抗性基因，由一个或少数几个主效基因控制，表现为高抗或免疫，这类基因的抗性为小种专化性抗性，为垂直抗性，往往随着叶锈病菌生理小种的变化而丧失抗性；另一类为成株期抗性，这类抗性大多由微效数量性状基因控制，为水平抗性，通常单个基因的抗病能力较弱，但对病原菌无小种专化性或专化性弱。一般多个基因聚合后表现为中抗或高抗，且抗性持久，是培育持久抗性品种的基础。Vanderplank［9］提出水平抗性学说，指出非小种特异性的水平抗性是植物保持持久抗性的重要基础。Singh等［10］研究发现，聚合4～5个微效成株抗性基因的小麦材料对叶锈病呈高抗至免疫，因此，成株抗性基因的利用对培育持久抗性小麦品种至关重要。

2 成株期抗叶锈病基因研究

目前正式命名的抗叶锈病基因共79个，其中仅15个具有成株期抗性，分别是Lr12、Lr13、Lr22a、Lr22b、Lr23、Lr34、Lr35、Lr46、Lr48、Lr49、Lr67、Lr68、Lr75、Lr77和Lr78［11，12］。

Lr12是最早鉴定的成株期抗叶锈病基因，来源于普通小麦Exchange和中国春，位于4BL［13，14］。Lr12不同于大多数的成株期抗病基因，其抗病性在成株期表达，但它具有叶锈病小种专化性，属于垂直抗性基因，它对目前多数叶锈病小种已丧失抗性，其研究对于理解不同类型基因的抗病机制有重要意义［15］。Singh等［14，15］推测来源于四倍体二粒小麦的Lr27为Lr12的变形基因，位于4DL上，是苗期抗病基因，且抗性需要互补基因Lr31的存在。Lr27也是一个兼抗型基因，对小麦条锈病、白粉病和秆锈病具有抗性，记作Lr27/Yr30/pm48/Sr2。虽然Lr27苗期抗叶锈病，但对条锈病、白粉病和秆锈病的抗性则属于成株期抗性。Lr27对当前流行小种不具有抗性，但是该基因的存在对于成株抗病基因Lr34和Lr46的抗性有增强作用［15］。Lr12和Lr27对病害的作用机理也反映出抗病基因作用机制的复杂性。

Lr13最早在普通小麦品种Frontana中被鉴定，存在于很多北美的硬红春小麦品种中，被世界各地的多个育种单位所应用［13，16］。它位于2B染色体上，是成株期抗病基因，对多数叶锈病小种表现为水平抗性，距离最近的SSR标记GWM630为10 cM，进一步开发紧密连锁的分子标记将有助于该基因在育种中的应用［17］。

Lr22a来源于偏凸山羊草（Aegilops tauschii），通过人工杂交合成六倍体小麦，后与Thatcher六次回交，育成携带Lr22a的品系RL6044。Lr22a是一个具有广谱抗性的成株抗病基因，位于2DS染色体上，SSR标记GWM296是其紧密连锁的分子标记，该标记是来源于偏凸山羊草基因组的独特标记，可用于标记辅助选择［18，19］。

Lr22b来源于普通小麦，在小麦品种Thatcher中鉴定到，并定位在2DS上，与Lr22a位于染色体相近位置，属成株抗性基因，但该基因的抗病作用较小，所以研究较少［20，21］。

Lr23来源于硬粒小麦品种Gaza，通过杂交组合Bobin W39*2／Gaza cross转移到普通小麦中，育成小麦品种Gabo和Timstein［22，23］。McIntosh等［24］将Lr23定位在2BS上。SSR标记sun471与Lr23的遗传距离为0.6 cM，可用于分子标记辅助选择；KASP标记sunKASP＿16，sunKASP＿47和sunKASP＿48可以更准确地选择四倍体硬粒小麦和普通小麦中的Lr23，是高通量的选择标记，极大提高了Lr23的选择效率［25］。

Lr34来源于普通小麦，最初是从一个中国小麦地方品种（PI 58548）中鉴定出来的。20世纪早期的意大利小麦品种Mentana和Ardito也含有该基因［26，27］。该基因育种应用已超过100年的历史，它至今仍保持着良好抗性。Dyck［28］利用单体缺体，将Lr34定位在7DS染色体上，随后多位科学家利用分子标记进一步精细定位了该基因。两个分子标记SWM10和csLV34被认为是比较可靠追踪Lr34基因的功能标记［29，30］。Lagudah等［31］又设计了5个位点特异的位点组合成cssfr1-cssfr5功能标记，对Lr34的鉴定更为精确。Fang等［32］在外显子11和22开发的KASP标记，可以精确鉴定Lr34的等位变异。Krattinger等［33］利用精细定位群体进一步缩小了Lr34位点的范围，通过图位克隆获得该基因，它编码含有1 401个氨基酸残基的ABC转运蛋白，属于多效耐药性蛋白亚家族。该基因不仅对叶锈病具有成株抗性，同时还对小麦条锈病、秆锈病、白粉病具有成株抗性，记作Lr34/Yr18/Pm38/Sr57［34］。关于Lr34抗病性的研究很多，有研究认为Lr34在16℃以下可以减缓叶锈病的发展，高于20℃作用不显著［21］。Fang等［35］研究表明Lr34的部分抗性可能与其较大比例的错误剪接体相关。

Lr35来源于二倍体小麦属近缘种拟斯卑尔脱山羊草（Triticum speltoides），定位在2B染色体上［36］。Lr35对匈牙利、加拿大和美国的叶锈病小种均有较高水平抗性，对我国的叶锈病小种也表现为高水平抗性［37］。利用BCD260F1／35R2引物组合开发的STS标记，可用于标记辅助选择［38］。

Lr46是从CIMMYT小麦品种Pavon76中发现的抗叶锈病基因，其抗病性与Lr34相似，也是多抗性基因，记作Lr46/Yr29/Pm39/Sr58［39］。目前研究认为该基因有两个来源：一个是南美乌拉圭的小麦地方品种Americano 25e，另一个是古老的印度品种Sujata［40，41］。SSR标记Xwmc44与Lr46的距离为5.6 cM，是较为好用的PCR标记，CAPS标记csLV46G22是距离Lr46最近的标记，可用于分子标记辅助选择［42，43］。

Lr48和Lr49分别来源于澳大利亚普通小麦Condor和印度普通小麦VL404［44］。Bansal等［45］将Lr48定位在2BS上，与成株抗性基因Lr13连锁；Lr49定位在4BL上。Nsabiyera等［46］开发了Lr48的KASP标记IWB70147，它在分子标记辅助选择中非常有用；Lr49两侧标记分别为Xbarc163（8.1 cM）和Xwmc349（10.1 cM），在没有新标记开发之前，可用于标记辅助选择。Lr48和Lr49都属于具有广谱抗性的成株抗病基因，在澳大利亚和印度抗病育种中具有重要作用。

Lr67是从普通小麦里发现的另一个兼抗型基因，最初鉴定于巴基斯坦地方品种（PI 250413）。Hiebert等［47］利用分离群体进行连锁分析，将该基因定位在4DL上，并正式命名为Lr67。Herrera-Foessel等［48，49］将RL6077中的抗条锈病基因Yr46和Lr67定位到4DL染色体的同一区段，并发现Lr67/Yr46位点具有秆锈病和白粉病抗性，且呈现旗叶叶尖坏死症状，将其命名为多效位点：Lr67/Yr46/Sr55/Pm46/Ltn3。Moore等［50］通过图位克隆方法克隆了Lr67，该基因编码具有514个氨基酸残基的蛋白质，与H＋／单糖转运 蛋 白 （H＋／monosaccharide symporter）中 的STP13家族高度相似，该家族有助于己糖（hexose）的跨膜运输。

Lr68来源于普通小麦品种Parula的成株期抗叶锈病基因，位于7BL上，与小种专化型抗叶锈病基因Lr14b紧密连锁，分子标记Psy1-1和gwm146与该基因紧密连锁，可用于分子标记辅助选择。含Lr68小麦品种也表现出一定的旗叶干尖的性状，但是干叶尖的面积比Lr34、Lr67和Lr46轻很多［51］。

Lr75来源于瑞士普通冬小麦品种Forno，为Singla等［52］鉴定的一个成株抗性基因，位于1BS上。SSR标记gwm604和swm271可用于分子标记辅助选择。抗病近等基因系鉴定显示，Lr75的抗病性较Lr34稍弱，QTL分析显示该基因表现出较好的加性效应，可与其它基因聚合，提高抗病性。

Lr77来源于美国的硬红冬普通小麦Santa Fe，Kolmer等［53］通过SNP分析将其定位在3BL上，在IWB10344-IWB73555区间开发合适的分子标记可用于该基因的标记辅助选择。Lr77的成株期抗性水平与Lr78相近，作为一个重要的抗病基因可用于持久抗病品种的培育。

Lr78来自巴西普通小麦品种Toropi，被定位在5DS上，KASP标记IWA6289是一个非常方便用于扶助选择的分子标记。另外，Lr78多年多点田间鉴定表明其抗叶锈效应比含有Lr34、Lr46或Lr67的Thatcher品系强［54］。

3 前景与展望

由于气候变化等原因，新的叶锈病小种不断出现，全生育期抗性品种很快因病原生理小种的变化而丧失抗性。CIMMYT对成株抗性系统研究和育种实践表明，聚合4～5个成株抗病基因就能够实现高抗至免疫。因此，开展成株期抗叶锈病基因的开发和研究，是培育持久抗病品种的基础［7，10］。

我国当前推广品种中成株期抗叶锈病基因分布相对较少。闫晓翠等［55］分析了30个当前生产上大面积种植小麦品种的抗叶锈病基因，仅陕225和小偃81含有Lr46，西农979、陕229和贵农16可能含有Lr13。仅含有一个成株抗病基因的品种很难达到中抗水平，需要聚合多个成株抗病基因才能培育持久抗病品种。CIMMYT北京办事处从2000年起，引进大批具有成株期抗性的小麦种质，同时我国科学家从本地地方品种和育成品种中也鉴定到具有成株期抗性的基因，为我国聚合成株期抗病基因、培育持久抗病品种提供了亲本材料［7］。

数量性状特性的成株期抗病基因，在表型鉴定上很难把握，需要多年多点鉴定，因此早期成株期抗病基因研究相对较少。随着科学家对成株期抗病基因在育种中重要性认识的深入，越来越多的成株期抗叶锈病基因被鉴定。伴随分子标记的飞速发展，越来越多的成株期抗病基因都已经开发了相应的分子标记，使得抗病基因的选择不再依赖准确的表型鉴定，提高了抗病基因聚合效率。

已定名的成株抗叶锈病基因中仅Lr22a和Lr35来源于近缘种，而大多数来源于普通小麦，说明普通小麦是成株抗性基因的重要来源。源于普通小麦的抗病基因不存在过多的外源基因所携带的不利基因，这些小麦品种与远缘种质相比农艺性状良好，育种实践中更利于育种家应用，是良好的基因来源。我国黄淮麦区的小麦品种，如鲁麦21、百农64、潍麦8号等均含有成株抗叶锈病基因，是黄淮麦区重要的持久抗病育种基因来源［56，57］。相信随着育种家对成株抗性基因重要性认识的不断深入和基因的不断发掘，以及在育种中的广泛应用，持久抗病将成为抗病育种最重要的育种目标之一。