Research of Resistance in ‘Zhoumai’ Wheat Cultivars to Fusarium Head Blight (FHB) with Fhb1 Gene

Li Nannan, Li Shuncheng, Han Yulin, Zou Shaokui, Du Xiaoyu, Yang Guangyu, Wang Lina, Zhang Qian, Lv Yongjun

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2021, Vol. 37 ›› Issue (4) : 98-104. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb20200300201

Research of Resistance in ‘Zhoumai’ Wheat Cultivars to Fusarium Head Blight (FHB) with Fhb1 Gene

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Abstract

To accelerate the improvement of wheat resistance to fusarium head blight (FHB) in ‘Zhoumai’ wheat, we used the local main wheat varieties (lines) ‘Zhoumai 22’, ‘Zhoumai 32’ and ‘Zhou11550’ as the female parents and the ‘Ningmai 9’, ‘Shengxuan 6’, ‘Yangmai 21’, which are the FHB resistant materials in the middle and lower reaches of the Yangtze River, as male parents to make a series of hybrid combinations. Then we got 621 selected materials in F3-F6 offspring. In the field, we used different FHB strains from Jiangsu and Henan to identify the resistance to FHB through inoculating spores into spikelets by single flower drip method. Meanwhile, the molecular detection of the progenitor materials was carried out by using the closely linked diagnostic marker His-InDel of the main gene Fhb1. Field inoculation results showed that 23.9% of the total offspring from Jiangsu had high or moderate resistance to FHB, while this rate was 35.1% in the offspring of Henan. The resistance of the offspring materials was significantly improved compared with their parents, which were susceptible to FHB. And the resistance of the materials to strains from Jiangsu was lower than that from Henan. Molecular detection results showed that the resistance to FHB had a significant difference in materials containing Fhb1 or not, indicating that Fhb1 gene marker assisted selection could be used to improve the resistance of wheat cultivars to FHB efficiently.

Key words

wheat / fusarium head blight (FHB) / Fhb1 gene / molecular identification / field resistance

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Li Nannan , Li Shuncheng , Han Yulin , Zou Shaokui , Du Xiaoyu , Yang Guangyu , Wang Lina , Zhang Qian , Lv Yongjun. Research of Resistance in ‘Zhoumai’ Wheat Cultivars to Fusarium Head Blight (FHB) with Fhb1 Gene. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2021, 37(4): 98-104 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb20200300201

0 引言

小麦赤霉病(fusarium head blight,FHB)是广泛发生在温暖潮湿和半潮湿地区的一种毁灭性病害,由多种镰刀菌引起[1,2]。中国是小麦赤霉病重发区,发生区域主要在长江中下游冬麦区和东北东部春麦区[3,4]。近年来随着全球气候变暖和小麦耕作制度的变化,病害逐渐向北蔓延至黄淮流域,黄淮麦区的赤霉病发生有越来越严重的趋势。2001—2018年有9个年份小麦赤霉病的发生面积超过333万 hm2,2012年赤霉病发生更加严重,超过1000万hm2,对小麦生产构成严重的威胁。目前,全世界尚缺乏高抗赤霉病或免疫的小麦品种,因此,进行小麦品种抗性改良,培育抗性品种是减轻小麦赤霉病危害的根本途径。抗赤霉病的QTLs的不断发掘将大大加快抗性基因向适应性良好的栽培品种的转移。据报道,利用分子标记辅助选择育种技术,已经在瑞士[5]、加拿大[6]、美国[7]、巴西[8]、日本[9]等选育出抗性显著提高的小麦新品种。分子标记辅助选择不仅解决表型鉴定不稳定的难题,还可提高选择效率,缩短育种年限,具有很大的优越性[10,11]。国内外学者利用分子技术对小麦赤霉病抗性做了大量研究,已经鉴定和定位了分布在小麦21条染色体上250多个与抗赤霉病相关的QTLs[12,13],目前公认的抗性最稳定和效应最大的抗性基因是Fhb1。Waldron等[14]首先报道‘苏麦3号’3BS上的赤霉病抗性基因Fhb1。另外,在‘望水白’、‘黄方柱’、日本品种‘NyuBai’等多个抗源中也存在Fhb1基因[15]。Anderson等[16]研究认为Fhb1能解释41.6%和24.8%的表型变异。Cuthbert等[17]研究Sumai3*5/Thatcher群体时,将Fhb1定位在XSTS3B-80~XSTS3B-142之间,遗传距离为1.27 cM。贾海燕等[18]采用遗传和BAC-物理作图的方法,通过研究来源于‘望水白’的材料,将Fhb1基因精细定位在SSR标记Xwgrb597~Xmag9404之间,遗传距离为0.19 cM。董晶晶等[19]利用‘黄方柱’和‘Wheaton’衍生的RIL群体对Fhb1进行精细定位,将其定位在分子标记X2214~X2357之间。2016年Rawat等[20]报道了Fhb1基因克隆的结果。Fhb1编码一种带有凝集素结构域以及类毒素成孔结构域的嵌合凝集素(pore-forming toxin-like,PFT),通过突变体分析、基因过表达和沉默等试验证实了PFT就是Fhb1编码的基因。朱展望等[21]研究认为目前利用标记辅助选择Fhb1的限制因素是缺乏低成本的诊断性标记,虽其连锁标记在Xgwm493Xgwm533UMN10Xsnp3BS-8等在育种中有一定应用[22,23],但均受遗传背景影响较大[24]。Rawat等证明Fhb1为PFT基因,对PFT邻近基因His测序发现His位点的多态性,进而开发出Fhb1诊断性标记His-InDel,该标记扩增稳定、片段差异大、用琼脂糖凝胶电泳即可检测,成本较低,是理想的育种标记。本研究利用与抗赤霉病基因Fhb1紧密连锁的诊断性标记His-InDel筛选‘周麦’改良抗性材料,配合田间单花滴注接种鉴定材料抗性,旨在通过分子检测改良抗赤霉病小麦品系,加速‘周麦’的抗赤霉病育种。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究利用本地主栽‘周麦’品种(系)‘周麦22号’、‘周麦32号’、‘周11550’等与综合性状良好的抗赤霉病小麦品种‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21’等配置一系列杂交组合,经选择获得F3株系113个、F4株系188个、F5株系178个、F6株系142个,总共621个株系。
田间接种鉴定中,将黄淮麦区的中感赤霉病品种‘淮麦20’作为对照材料,当单花滴注后‘淮麦20’发病达到3级以上,抗赤霉病鉴定视为有效[25]

1.2 田间试验设计

2011—2017年在周口市农业科学院试验基地进行杂交和后代单株选择。2017年秋播同时将F3~F6后代种植于抗赤霉病鉴定圃,每个株系种植2行,宽窄行(20 cm+40 cm),行长3 m,穴播。

1.3 抗赤霉病鉴定方法

将河南省农科院宋玉立研究员提供的5个赤霉菌菌株(14F3-8、10YY1-3、14LY9-2-4、14ZK1-4和14AY1-2)和江苏省农科院张旭研究员提供的3个赤霉菌菌株(HG-1、J15和F0609)分别制备为分生孢子混合液(5×105孢子/mL)。在2018年小麦开花初期(10%麦穗扬花),采用单花滴注的方法[26],将孢子悬浮液20 µL注入第5个小穗内(方向为由上而下),并对接种穗进行剪芒标记,每份材料接种10穗。接种后套袋保湿72 h,随后定期利用迷雾装置(自走式平移喷灌机,艾瑞德Irritech农业机械有限公司,中国安徽)喷雾保证田间湿度利于病害的发生。

1.4 统计分析

接种后第21天调查所有接种材料的发病情况,根据病害症状描述(0级,接种小穗无可见发病症状;1级,仅接种小穗发病,或相邻的个别小穗发病,但病斑不扩展到穗轴;2级,穗轴发病,发病小穗占总小穗的1/4以下;3级,穗轴发病,发病小穗占总小穗的1/4~1/2;4级,穗轴发病,发病小穗占总小穗的1/2以上),逐份统计10个接种穗的发病情况,并依据病害轻重确定每个接种穗的严重度分级。分别计算河南和江苏菌株病害严重度的平均值,依据平均严重度标准(高抗R,0<平均严重度<2.0;中抗MR,2.0≤平均严重度<3.0;中感MS,3.0≤平均严重度<3.5)确定材料对赤霉病的抗性水平[25]

1.5 DNA提取

在大田剪取各株系的新鲜嫩叶片1~2 g,装入自封袋中并编号,放入-20℃冰箱备用。参照Saghai-Maroof等[27]报道的CTAB法提取叶片基因组DNA。

1.6 SSR分析

按照朱展望[21]开发引物His-InDel的PCR反应体系,总体积20 µL,含2× PCR Mix(0.1 U/μL Taq酶、500 μmol/L dNTPs、20 mmol/L Tri-HCl、10 mmol/L KCl、3 mmol/L MgCl2)10 μL,DNA模板(50 ng/μL)2 μL,上下游引物(10 μmol/L)各 0.5 μL,ddH2O 7 μL。扩增程序为:95℃预变性 3 min;94℃变性30 s,65℃退火30 s,68℃延伸2.5 min,,共33个循环;最后68℃延伸7 min,4℃保存。PCR反应在PCR仪(S1000,Bio-Rad,美国)上进行。PCR扩增产物用1.5%琼脂糖凝胶电泳检测。

1.7 数据分析

用DPS 9.5数据处理系统(中国)和Excel 2007软件(美国)对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 供试材料的抗赤霉病鉴定

来源于河南省和江苏省的赤霉菌菌株接种供试材料,每份材料分别接种10穗。抗病性鉴定结果(表1)显示,对河南赤霉菌表现高抗的材料占总数的7.9%、中抗占27.2%,比对江苏赤霉菌表现高抗和中抗的材料多4和7.2个百分点;对河南赤霉菌表现中感和高感的材料占总数的38.6%和26.3%,比对江苏赤霉菌表现抗性的材料少6.9和4.3个百分点,表明供试材料对江苏赤霉菌的抗性比河南赤霉菌弱。
表1 2018年供试材料田间接种抗性鉴定结果
代系 对河南赤霉菌抗性 对江苏赤霉菌抗性
高抗 中抗 中感 高感 高抗 中抗 中感 高感
F3 5 23 53 32 5 23 57 28
F4 11 20 78 79 1 48 86 53
F5 20 58 71 29 5 30 76 67
F6 13 68 38 23 13 23 64 42
合计 49 169 240 163 24 124 283 190
占总数百分比/% 7.9 27.2 38.6 26.3 3.9 20.0 45.5 30.6
图1表明,抗病亲本‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21号’田间鉴定为中抗以上水平,而感病亲本‘周麦22号’、‘周麦32号’田间鉴定为高感,‘淮麦20号’是黄淮麦区的中感对照,田间鉴定为中感,说明人工接种鉴定的发病情况比较充分。
图1 单花滴注鉴定杂交亲本、携带和不携带Fhb1基因的后代材料的田间抗性表现
‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21号’为抗病亲本;‘周麦22号’、‘周麦32号’为感病亲本;‘淮麦20号’是黄淮麦区的中感对照;GD1(+)、GD2(+)、GD3(+)为3个携带Fhb1基因的高代材料;GD4(-)、GD5(-)、GD6(-)为3个不携带Fhb1基因的高代材料

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按世代和赤霉菌来源分别对后代材料进行赤霉病抗性对比分析。江苏赤霉菌侵染鉴定结果显示,鉴定为中感的材料在每个世代的比例都是最高的(F3为50.4%,F4为45.7%,F5为42.7%,F6为45.1%)。而河南赤霉菌田间侵染结果表明,F3植株表现最多的抗性级别为中感,有53个株系,占F3材料的46.9%;同时F4最多的是高感(42.0%),F5最多的是中感(39.9%),F6最多的是中抗(47.9%),高世代的抗性较低世代稳定提高,表明每年通过田间鉴定选择农艺性状和抗性兼备的材料进入下一代能够显著提高材料的群体抗性,单花滴注接种鉴定能有效改良小麦的赤霉病抗性。

2.2 抗赤霉病基因分子标记检测供试材料

利用在3BS上Fhb1基因的诊断性标记His-InDel对杂交亲本‘周麦22’、‘周麦32’、‘周11550’和‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21号’进行分子检测。结果表明,‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21号’扩增片段为1309 bp,含有Fhb1基因;‘周麦22号’、‘周麦32号’、‘周11550’等不含Fhb1基因的扩增片段在2000 bp左右,与‘宁麦9号’等含Fhb1的品种差异明显(图2)。同时,利用该标记对621个后代材料进行基因型分析,检测出210个株系携带Fhb1基因,其中田间鉴定表现高抗的材料有48个、中抗的有119个、中感的有34个、高感的有9个,中抗以上材料占比79.5%;不携带Fhb1基因的株系有411个,只有1个株系表现高抗,中抗的50个,中感、高感的分别是206、154个,感病材料占比87.6%(表2)。图1中GD1(+)、GD2(+)、GD3(+)为3个携带Fhb1基因的高代材料,田间鉴定为中抗—高抗;GD4(-)、GD5(-)、GD6(-)为3个不携带Fhb1基因的高代材料,田间鉴定为高感。这说明分子标记检测与人工接种鉴定结果的趋势一致,通过分子标记检测Fhb1基因结合田间抗性鉴定选择效率很高。
图2 His-InDel标记对亲本和部分后代的扩增结果
M为DL5000 DNA marker;1为‘周麦22号’;2为‘宁麦9号’;3~14为‘周麦32号’、部分后代不含Fhb1基因的品系;15~22为‘生选6号’、‘扬麦21号’、部分后代携带Fhb1基因的品系

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表2 2018年周麦后代材料中Fhb1的检测结果
抗性 Fhb1 不含Fhb1
抗赤材料数 210 411
高抗 48 1
中抗 119 50
中感 34 206
高感 9 154

2.3 田间鉴定材料在携带Fhb1基因和不携带之间的差异性分析

Fhb1的分子标记His-InDel在后代中共筛选出210份材料,没有筛选出抗性条带的材料有411份。把含有Fhb1基因和不含Fhb1基因的材料分为2组,田间调查每份材料的平均严重度。利用DPS软件统计这2组之间田间鉴定的差异是否显著。F>F0.01,表明2组材料的抗性差异达极显著水平,含有Fhb1基因的抗赤霉性明显高于不含Fhb1基因的材料(表3~4),表明通过Fhb1基因连锁的分子标记辅助选择育种提高赤霉病抗性是有效的。
表3 含Fhb1与不含Fhb1材料之间平均严重度方差分析
变异来源 df SS s2 F F0.05 F0.01
处理间 1 25.74 25.74 45.81** 3.86 6.69
处理内 619 168.04 0.56
总变异 620 193.79
表4 携带Fhb1与不携带Fhb1的材料之间抗赤霉性的差异显著性(LSD法)
处理 平均严重度 差异显著性
α=0.05 α=0.01
不携带Fhb1 3.2473 a A
携带Fhb1 2.3105 b B

3 讨论

3.1 不同来源赤霉菌的抗性接种鉴定

小麦赤霉病抗性田间接种鉴定与评价方法有很多种,抗侵染一般采用土表撒病麦粒和穗部喷孢子悬浮液进行接种鉴定,评价方法一般采用病情指数和平均严重度。而单花滴注接种被广泛应用于抗扩展的鉴定,调查接种穗的平均严重度作为抗性分级的评价标准[25]。本研究所使用的病原菌孢子分别来源于江苏省和河南省2类不同的生态区环境,在孢子浓度、接种套袋保湿、温度湿度、土壤和评价标准均一致的条件下,调查不同地域环境的病原菌孢子之间的抗性差异,试验结果误差小,可信度较高。结果表明后代材料对来源于江苏省的赤霉菌比来源于河南省的抗性弱,这可能与长江中下游地区长期受赤霉病菌危害,而河南省所在的黄淮麦区历史上一直不是赤霉病的高发区域,而两地的生态环境不同导致赤霉病菌种的致病力也不同。
本研究以本地主栽半冬性、感赤霉病‘周麦’品种(系)‘周麦22号’、‘周麦32号’、‘周11550’为母本,长江中下游抗赤霉病品种‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21号’为父本配置杂交组合,通过田间单花滴注接种鉴定获得F3~F6代材料。结果显示,这些材料比高感亲本‘周麦22号’等赤霉病抗性有显著提升。不过,黄淮麦区不是赤霉病表型鉴定的理想环境,稳定的表型鉴定环境一直是本地区小麦抗赤霉病育种的难题,所以完善赤霉病抗性鉴定技术,是筛选抗性品种的重要研究工作。

3.2 抗赤霉病分子标记辅助选择及其应用前景

分子标记辅助选择技术具有准确、快速、实用和不受外界环境影响等特点,比表型鉴定更有优势。目前有许多利用这种技术实现抗病改良的报道。Fhb1已被证明是抗性最强且稳定的抗赤霉病基因,周淼平等[28]研究‘苏麦3号’与感病材料重组自交系群体中,发现位于3B上的抗赤霉病Fhb1基因两侧的分子标记Xgwm533Xgwm493。此后,许多学者在不同遗传背景下研究利用这2个标记进行抗性选择具有较高的效率[10-11,29]。Liu等[22]开发出共显性标记UMN-10,与Fhb1基因连锁更加紧密,比SSR标记选择效率更高。本研究选择朱展望等开发的诊断性标记His-InDel,利用该标记鉴定材料稳定准确,是理想的育种标记。结果表明,抗赤霉病亲本‘宁麦9号’、‘生选6号’、‘扬麦21号’均含有Fhb1基因,而感病亲本‘周麦22号’、‘周麦32号’均不含Fhb1基因,说明Fhb1基因能有效地鉴定小麦赤霉病的抗性。后代中不含Fhb1基因的411份材料中,也有51份中抗以上的材料,又表明除Fhb1基因外还可能携带其他抗赤霉病基因发挥作用。
为进一步利用Fhb1基因提高分子标记辅助选择效率,采用标记单体型辅助选择和标记组辅助选择,能够很好地弥补单一分子标记的不足。多个SSR位点可以明显在抗感品种中形成不同的单体型。Yu等[30]研究认为在抗赤霉病QTL区域和抗病品种‘苏麦3号’相同的SSR标记有利等位数目,会影响抗性的强弱,在3BS上的QTL位点,1个SSR和‘苏麦3号’等位,没有2~3个SSR和‘苏麦3号’等位的抗性强。说明针对‘苏麦3号’有利等位的SSR标记组或者组成的单体型全部有利等位位点的选择要明显优于针对单个SSR的选择。Arruda等[31]利用GWAS分析,与Fhb1基因关联的4个SNP位点中,同时存在4个SNP位点其赤霉病抗性明显高于只有1个或者2个SNP位点,这为下一步的工作指明了研究方向。另外,最新研究表明,通过生物工程方法控制TaHRC序列来提高小麦对FHB的抗性是一条新途径。Su等[32]认为TaHRC基因是Fhb1介导的FHB耐药的关键决定因素,该基因编码一个假定的富含组氨酸的钙结合蛋白。证明了TaHRC编码了一个具有FHB易感性的核蛋白,并且该基因起始密码子的缺失导致了FHB的抗性,开发了TaHRC-GSM分子标记用于诊断缺失突变。
小麦赤霉病抗性属于典型的多基因控制的数量性状[33],主要有抗侵入、抗扩展、抗DON毒素积累等类型[34]。育种上要把多个抗赤霉病基因聚合在一起难度很大,‘周麦’系列抗赤霉病育种可以采取循序渐进的方法,通过分子标记辅助选择,把主效Fhb1基因转育到主栽品种(系)中,快速改良育成品种的赤霉病抗性水平,再进行多个抗赤霉病基因的聚合,达到进一步提高小麦赤霉病抗性的目的。可以预期的是,小麦大面积丰产性与抗赤霉病性结合的育种目标是可以实现的。‘周麦’是黄淮南片最重要的系列品种之一,提升‘周麦’品种整体的抗赤霉病水平对增加本地小麦的产量和品质、提高社会经济效益具有十分重要的意义。

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Bernardo A N, Ma H, Zhang D, et al. Single nucleotide polymorphism in wheat chromosome region harboring Fhb1 for Fusarium head blight resistance[J]. Mol Breeding, 2012,29:477-488.
Fusarium head blight (FHB) is a destructive disease that reduces wheat grain yield and quality. To date, the quantitative trait locus on 3BS (Fhb1) from Sumai 3 has shown the largest effect on FHB resistance. Single nucleotide polymorphism (SNP) is the most common form of genetic variation and is suitable for high-throughput marker-assisted selection (MAS). We analyzed SNPs derived from 23 wheat expressed sequence tags (ESTs) that previously mapped near Fhb1 on chromosome 3BS. Using 71 Ning 7840/Clark BC7F7 recombinant inbred lines and the single-base extension method, we mapped seven SNP markers between Xgwm533 and Xgwm493, flanking markers for Fhb1. Five of the SNPs explained 45-54% of the phenotypic variation for FHB resistance. Haplotype analysis of 63 wheat accessions from eight countries based on SNPs in EST sequences, simple sequence repeats, and sequence tagged sites in the Fhb1 region identified four major groups: (1) US-Clark, (2) Asian, (3) US-Ernie, and (4) Chinese Spring. The Asian group consisted of Chinese and Japanese accessions that carry Fhb1 and could be differentiated from other groups by marker Xsnp3BS-11. All Sumai 3-related accessions formed a subgroup within the Asian group and could be sorted out by Xsnp3BS-8. The SNP markers identified in this study should be useful for MAS of Fhb1 and fine mapping to facilitate cloning of the Fhb1 resistance gene.
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周淼平, 任丽娟, 张旭, 等. 3B染色体短臂小麦赤霉病抗性主效QTL的分析[J]. 遗传学报, 2003,30(6):571-576.
采用区间作图和复合区间作图方法对重组自交系群体宁894037/Alondra、望水白/Alondra和苏麦3号/Alondra进行了抗赤霉病QTL分析,结果表明,用在田间和温室的赤霉病抗性鉴定资料,在3个赤霉病抗源宁894037、望水白和苏麦3号的3B染色体短臂上均检测到主效QTL的存在。宁894037主效QTL位于标记BARC133与Xgwm493之间的5.0 cM的区间内,最高可解释42.8%的赤霉病抗性;望水白的主效QTL位于标记BARC147与Xgwm493之间11.5 cM的区间内,最高可解释15.1%的赤霉病抗性;苏麦3号的主效QTL位于Xgwm533a与Xgwm493之间13.0 cM的区间内,最高可解释10.6%的赤霉病抗性。与赤霉病抗性主效QTL紧密连锁的标记均为SSR标记,可直接用于分子辅助育种。
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陆成彬, 程顺和, 吴荣林, 等. 扬麦13抗赤霉病品系的分子标记辅助选育[J]. 麦类作物学报, 2010,30(6):1058-1064.
通过分子标记辅助选择技术和回交育种方法,以苏麦3号为抗赤霉病基因Fhb1和Fhb2的供体亲本,以弱筋感病品种扬麦13为受体和轮回亲本,对扬麦13进行赤霉病抗性改良。利用抗性基因紧密连锁的SSR标记筛选和田间赤霉病抗性鉴定,获得8个农艺性状似轮回亲本且含有目标基因的品系。通过分子标记对其进行遗传背景分析,获得3个与轮回亲本基本相同的品系。对这3个品系和扬麦13进行赤霉病接种鉴定和主要品质指标检测与比较,最终培育出携带赤霉病抗性基因且保持轮回亲本优良农艺性状及弱筋品质的品系R扬麦13 2、R扬麦13 7和R扬麦13 8,赤霉病病小穗率降低了78.82%~84.58%,产量提高了17.24%~26.72%,完全可以替代当前生产上高感赤霉病的扬麦13品种进行推广应用。这表明利用与抗性基因紧密连锁的分子标记辅助育种是一种有效的途径,可以实现小麦赤霉病抗性改良的目标。
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Su Z, Bernardo A, Tian B, et al. A deletion mutation in TaHRC confers Fhb1 resistance to Fusarium head blight in wheat[J]. Nature Genetics, 2019,51:1099-1105.
Fusarium head blight (FHB), which is mainly caused by Fusarium graminearum, is a destructive wheat disease that threatens global wheat production. Fhb1, a quantitative trait locus discovered in Chinese germplasm, provides the most stable and the largest effect on FHB resistance in wheat. Here we show that TaHRC, a gene that encodes a putative histidine-rich calcium-binding protein, is the key determinant of Fhb1-mediated resistance to FHB. We demonstrate that TaHRC encodes a nuclear protein conferring FHB susceptibility and that a deletion spanning the start codon of this gene results in FHB resistance. Identical sequences of the TaHRC-R allele in diverse accessions indicate that Fhb1 had a single origin, and phylogenetic and haplotype analyses suggest that the TaHRC-R allele most likely originated from a line carrying the Dahongpao haplotype. This discovery opens a new avenue to improve FHB resistance in wheat, and possibly in other cereal crops, by manipulating TaHRC sequence through bioengineering approaches.
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姚金保, 任丽娟, 张平平, 等. 小麦赤霉病的抗性遗传分析[J]. 麦类作物学报, 2011,31(2):182-187.
为给小麦抗赤霉病遗传改良提供参考,利用苏麦3号及5个当地推广小麦品种为亲本,按Griffing双列杂交法Ⅱ配制15个杂交组合,以赤霉病病小穗率为抗性指标,研究了小麦赤霉病抗性的遗传。结果表明,在6个小麦品种中,苏麦3号和扬麦9号赤霉病抗性的一般配合力最好,能极显著地提高杂种后代的赤霉病抗性。小麦赤霉病抗性的遗传符合加性 显性模型,同时受加性和显性效应的作用,且加性效应更重要,显性程度为部分显性。控制赤霉病遗传的增效等位基因为显性,增减效等位基因频率在亲本中的分配存在显著差异。苏麦3号具有最多的控制赤霉病抗性遗传的显性基因,而宁麦8号则具有控制赤霉病抗性遗传最多的隐性基因。小麦赤霉病抗性可能受2~3对主效基因的控制,狭义遗传力较高,早代选择有效。论文最后还就小麦抗赤霉病育种进行了探讨。
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刘易科, 佟汉文, 朱展望, 等. 小麦赤霉病抗性机理研究进展[J]. 中国农业科学, 2016,49(8):1476-1488.
赤霉病(Fusarium head blight,FHB)是小麦最主要的病害之一,严重影响小麦生产安全和食品安全,研究小麦赤霉病抗性机理对于解决小麦赤霉病这一世界性难题具有重要意义。根据对赤霉病的抗性表现形式,将小麦赤霉病抗性分为五个大类,分别为抗侵入(Type I)、抗扩展(Type II)、籽粒抗感染(Type III)、耐病性(Type )和抗毒素积累(Type V)。小麦赤霉病的抗性机理可以分为形态机制和生理机制,形态抗性机制是被动的,株高、抽穗期、花期长短、花药挤出程度、有芒无芒、穗长、穗密度、颖壳张开程度和穗部蜡质程度等形态特征均可能与赤霉病抗侵染特性有关。细胞学研究表明,病原菌侵染后抗病品种可迅速从细胞结构和生理生化方面产生防卫反应,通过乳突、胞壁沉积物的形成以及木质素、硫堇、富含羟脯氨酸糖蛋白和水解酶类等的增长来协同抵御病菌在体内的扩展。在植物复杂的信号途径中,水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)和乙烯(ET)3种信号途径在植物抵御病原菌入侵中的作用最为重要,SAET信号途径对小麦赤霉病抗性方面的作用目前还存在一定争议,而JA信号途径在小麦赤霉病抗性中积极作用已经被多数研究者所证实。迄今为止,人类定位了200个以上不同类型的抗赤霉病QTL位点,这些位点分布于所有的小麦染色体,其中的22个QTL位点被不同的作图群体所定位,包括2个定位在3BS和6BS染色体上稳定的抗扩展位点Fhb1Fhb2,以及2个定位在4B和5A染色体上的抗侵染位点Fhb4Fhb5在受到病原菌侵染后,植物会产生一系列复杂的信号途径激活应答反应,诱导抗病相关基因的表达,进而引起蛋白以及代谢水平的变化,抵御病原菌的侵袭,研究表明,病程相关蛋白基因、抗菌肽基因、转录因子基因、脱毒相关蛋白基因以及其他赤霉病抗性相关基因均参与了小麦赤霉病抗性提高的过程随着生物工程技术和生物信息技术的迅猛发展,将来可利用图位克隆技术分离抗赤霉病主效基因,并在全基因组关联分析和各种组学技术的基础上,从全基因组和基因调控网络水平上研究小麦赤霉病抗性机理,以期在更深层次上理解小麦赤霉病的抗性机理

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