一年生簇毛麦(Dasypyrum villosum(L.)Candargy)是普通小麦野生近缘种之一,也是近年来应用较广泛的小麦遗传资源.簇毛麦在长期进化过程中,形成了许多可用于小麦遗传改良的重要农艺性状,包括对非生物和生物胁迫的抗性、优良品质等.本文简述了簇毛麦与普通小麦的同源关系、与小麦属杂交亲和性,以及将簇毛麦染色体、片段、基因导入普通小麦的有效方法,综述了簇毛麦对白粉病、纹枯病、条锈病、眼斑病、黄花叶病、全蚀病、胞囊线虫病等病害的抗性基因和对应的染色体,簇毛麦品质基因(如:高赖氨酸含量和多态性贮藏蛋白等)和簇毛麦耐旱、光周期等其他基因.介绍了簇毛麦抗白粉病基因Pm21和PmV在小麦改良和育种中的应用及其巨大价值,展望了簇毛麦后续研究前景和可能存在的问题.本综述对挖掘与利用簇毛麦有益基因、拓宽小麦遗传资源、加快小麦遗传改良进程以及重要基因功能研究均具有参考价值.

簇毛麦是小麦遗传改良的重要基因资源之一,其2V染色体上携有抗白粉病、护颖颖脊刚毛、光周期响应、长穗多粒等许多普通小麦所不具备的优良基因,但缺乏足够的分子标记,不能准确鉴定导入小麦的2V染色质.为了开发2V染色体上特异分子标记,本研究设计了 2套引物,一套是基于普通小麦第2群染色体不同区段表达序列标签设计的序列标记位点引物30对,另一套是基于小麦2D、黑麦2R测序结果同源比对的差异设计的内含子定位引物296对,分别筛选出2个和33个2V染色体特异分子标记,占总引物数6.7％和11.1％,说明基于新一代高通量测序技术设计内含子定位引物是一种开发染色体特异性标记的高效方法.研究结果进一步发现,大多数位于小麦2D染色体上的基因可以分别对应2V染色体相同区段上的基因,但也有例外,说明簇毛麦2V染色体与普通小麦2D染色体之间存在复杂的共线性关系.本研究共开发出35个标记,并对其可靠性进行了验证,其中lfz8187-1100定位于2VSFL0.68-1.00,1fz8387_280、lfz8462_760和lfz8470_200定位于2VS FL0.00-0.26,其余31个标记定位于2VL.这些分子标记为鉴定2V染色体结构变异提供了有效工具,也为鉴定导入普通小麦的2V染色体携带的有益基因提供了技术支撑.

冰草(Agropyron cristatum)作为小麦重要野生近缘植物之一,含有许多可以改良小麦的优异基因.小麦-冰草附加系含有一对完整的冰草染色体,是利用冰草P基因组优异基因的重要工具材料.由于冰草为多年生四倍体异交植物,其部分同源群的P染色体结构存在差别,从而使得同一部分同源群的小麦-冰草附加系材料在农艺性状中表现出不同.本研究通过细胞学鉴定、分子标记检测、农艺性状考察、抗病性鉴定等手段对3份小麦-冰草不同2P附加系的抽穗期、株型、穗部性状、籽粒性状、抗白粉病和叶锈病等主要特性进行了鉴定与分析.结果表明,小麦-冰草2P附加系Ⅱ-9-3遗传稳定、株型紧凑、免疫叶锈病、高抗白粉病,可以用于小麦的株型改良和抗病育种.小麦-冰草2P附加系Ⅱ-3-1b的株高降低效应明显、较早抽穗、免疫叶锈病,可用于小麦株高改良和抗叶锈病育种.小麦-冰草2P附加系Ⅱ-23-72对叶锈病和白粉病流行小种近免疫,可用于抗病育种.3份2P附加系为小麦.冰草2P易位系、缺失系的创制提供了材料;不同2P附加系在株型、株高和抗病性等性状上表现不同的优异特性,不仅为在小麦改良中有效利用2P染色体优异基因提供了依据,并且为进一步对2P染色体优异基因的定位奠定了重要基础.

为评价我国4个主要育种阶段来源于不同麦区的小麦资源在宁夏春麦区的株高、籽粒性状和抗病性,以及为宁夏小麦育种提供可行的评价方法和优异种质,本研究以4个育种阶段共228份小麦资源为材料,采用熵值赋权DTOPSIS法对这些资源的株高和籽粒性状进行综合评价,以筛选优良育种亲本.通过田间抗性调查结合18个与宁夏小麦主要病害相关的分子标记对这些资源的抗病性及抗病基因分布情况进行评价.结果表明,从阶段I～IV,材料的株高和蛋白质性状呈降低趋势,而穗粒数和粒重呈增加趋势.根据Ci值筛选出11份资源(占总数5％),分别为红兴隆3号、糯麦、新疆小麦、上林小麦、宁春45号、会宁19号、宁春32号、宁春58号、甘春25号、永良15号和小冰33号.抗性调查结果表明,228份资源中分别有181份、220份和83份表现抗条锈病、叶锈病和白粉病.Ci值筛选出的11份资源对条锈病和叶锈病表现出较好的抗性,其中红兴隆3号、上林小麦和小冰33号还兼抗白粉病.此外,18个与抗病基因相关的分子标记在228份资源中表现出不同比例的扩增.总之,基于熵值赋权的DTOPSIS法和小麦主要病害相关分子标记检测可用于国内小麦资源不同育种阶段的评价,筛选出的综合性状优良的小麦资源可作为宁夏小麦育种的候选亲本.

通过田间小区试验,设N0(0 kg·hm-2)、N1(112.5 kg·hm-2)、N2(225 kg·hm-2)、N3(337.5 kg·hm-2)4个施氮水平,研究不同施氮水平下小麦与蚕豆间作对小麦白粉病发生、植株氮含量和氮素累积分配的影响,探讨间作系统氮肥调控下小麦植株氮素含量、氮素累积分配与白粉病发生的关系.结果表明:无论单作还是间作,施氮(N1、N2和N3)均增加了小麦籽粒产量,以N2水平下产量最高,单、间作分别为4146和4679 kg·hm-2;施氮加重了小麦白粉病的发生与危害,N1、N2和N3水平下病害进展曲线下的面积(AUDPC)分别平均增加39.6％ ～55.6％(基于发病率DI)和92.5％ ～217.0％(基于病情指数DSI),病情指数受氮素调控的影响较发病率大;施氮显著提高小麦植株氮含量(8.4％～51.6％)和氮素累积量(19.7％～133.7％),对氮素分配比例无显著影响.与单作相比,间作小麦产量平均增加12.0％;AUDPC(DI)和AUDPC (DSI)分别平均降低11.5％和30.7％,间作对病情指数的控制效果优于发病率.间作显著降低发病盛期小麦氮含量、阶段累积量和叶片中氮素分配比例(降幅6.6％ ～ 12.5％、1.4％ ～6.9％和9.0％ ～ 15.5％).在本研究条件下,兼顾控病效果和产量效应,小麦施氮量不应超过225 kg·hm-2.

小麦近缘种属来源的抗白粉病基因是培育小麦抗病品种,防治白粉病危害的最重要基因来源.Pm57是位于西尔斯山羊草2Ss#1染色体长臂上的一个外源基因,对小麦白粉病具有苗期和成株期广谱抗性.为了创制Pm57白粉病抗性丧失突变体,利用基于基因突变体的植物抗病基因克隆新兴技术分离Pm57基因,选用0.625％的甲基磺酸乙酯(EMS)对1万粒小麦-西尔斯山羊草Pm57易位系89(5)69种子进行了诱变处理,M1大田密播种植,收获了1598个M2可育株系.初步对其中300个M2株系进行苗期白粉病抗性接种鉴定,并利用2个Pm57基因特异分子标记X2L4g9P4/HaeⅢ和X284274及小麦全国区试品系DUS测试所用的42对SSR核心引物对Pm57抗性丧失突变体进行鉴定,筛选出来自27个M2株系的真实抗性丧失突变体70个,Pm57基因抗性丧失突变体频率达到9.0％.本研究所获得的白粉病抗性丧失突变体为Pm57基因的后续克隆与抗白粉病分子机理研究提供了重要的材料基础.

白粉病是河北省小麦生产的重要常发病害,明确小麦审定品种和高代品系中所携带的抗病基因对合理利用和布局已知抗源、实现对小麦白粉病的有效防控具有重要意义.本研究结合人工接种白粉病菌株E09和E20与抗病基因连锁(或共分离)标记对1956-2018年间河北省371份小麦材料(含审定品种256份、高代品系115份)进行苗期抗白粉病鉴定和抗病基因检测.结果 表明:供试材料中,抗E09的材料占6.2％,抗E20的占11.9％,兼抗两个菌株的材料占4.9％;部分材料携带Pm1c、Pm2、Pm4b、Pm21、Pm24和Pm35基因,未检测到Pm12基因.Pm8基因在供试材料中所占比例较高,接近50％.供试材料中抗病审定品种比例远大于高代品系,说明小麦抗白粉病种质创新仍为当务之急,需要引起重视.在用连锁或共分离标记进行抗病基因检测时,通过计算某基因对两个菌株抗病反应型与标记检测结果一致的材料比例,发现Pm12、Pm21和Pm35等基因的标记检测效率较高,同时这些基因的标记也方便使用,可优先考虑用这些标记检测目的基因.

Sec14蛋白家族在植物中参与磷酸代谢、信号转导等基本生命过程.从感白粉病小麦品种京411中克隆到一个磷脂酰肌醇转运蛋白基因,其开放阅读框为1212 bp,编码403个氨基酸,与二穗短柄草中磷脂酰肌醇转运蛋白PITP3(XP_010236107.1)有80.45％的同源性,含有SEC14保守结构域,命名为TaSec14.接种白粉菌后,TaSec14在京411及其近等基因系BJ-1中表达趋势一致,表达量均高于抗病小麦品种Brock.利用病毒介导的基因沉默技术敲减京411中的TaSec14基因后,BSMV:TaSec14叶片上白粉菌孢子的成功侵染率低于GKP Buffer对照组,而畸形率高于对照组,表明降低TaSec14基因的表达能在一定程度上提高感病小麦京411对白粉菌的抗性.推测TaSec14基因可能在小麦与白粉菌互作过程具有调控作用.

将近缘植物的抗病基因导入小麦是改良小麦抗病性的重要途径之一,对其外源染色体进行准确鉴定能够提高外源基因的选择与利用效率.本研究分别利用小麦白粉病、条锈病菌生理小种接种、荧光原位杂交和分子标记的方法对来源于中间偃麦草的部分双二倍体TAI7047为中间亲本创制的新种质CH357进行了鉴定分析.结果 显示,CH357是一个小麦-中间偃麦草6Js/6B代换系,兼抗小麦白粉病、条锈病2种病害,其抗性可能来源于中间偃麦草的6Js染色体,可以作为一个小麦白粉病和条锈病新抗源进行小麦抗性遗传改良.基于中间偃麦草第6同源群Contig序列开发了160个STS标记,其中8个可作为识别小麦-中间偃麦草异代换系CH357中6Js染色体/片段的特异标记,为中间偃麦草6Js染色体/片段的鉴定提供较为经济和方便的检测手段.

基于高感白粉病小麦品种宁春4号和高抗白粉病品种宁春27号构建的重组自交系群体(RIL),以及简化基因组测序方法获得的遗传连锁图谱,通过QTL定位分析了小麦成株期白粉病抗性基因.结果 表明:4对主基因控制的加性-上位性遗传模型适合于RIL群体的成株期白粉病抗性;2个稳定的抗病QTL QPm.naafs-4D和QPm.naafs-7D分别来自宁春27号和宁春4号,其中在不同环境下QPm.naafs-4D的LOD为5.9～15.4、加性效应为-1.1～-1.2、表型变异解释率为18.6％～34.5％,该位点与侧翼标记的遗传距离为4 cM.在该区段存在1个持久多抗基因Pm46/Lr67/Yr46/Sr55,其标记可直接应用于小麦抗白粉病分子辅助育种.