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.

[背景]草地早熟禾(Poa pratensis)是一种被广泛使用的兼具观赏性和设施性的冷季型草坪草,白粉病的发生严重降低了草地早熟禾的质量和使用年限.[目的]对山西农业大学温室草地早熟禾白粉病病原物进行分离、纯化、鉴定和致病力分析,为草地早熟禾白粉病的防治提供理论依据.[方法]采用形态特征观察、核糖体内源转录间隔区(ribosomal DNA internally transcribed spacer,rDNA-ITS)序列分析进行分离株 BGP(TG)的鉴定;通过分生孢子密集抖落接种法测定BGP(TG)对 23 份草地早熟禾材料的致病力.[结果]草地早熟禾白粉菌分离株BGP(TG)分生孢子串生、无色、椭圆形,长和宽分别为(23.31-34.67)μm和(11.33-15.77)μm,成熟吸器为指状;rDNA-ITS序列分子发育分析结果表明分离株BGP(TG)与禾布氏白粉菌早熟禾专化型(Blumeria graminis f.sp.poae)聚于同一分支;BGP(TG)对 23 份草地早熟禾的致病力测定结果显示,白粉病发病率为49.47%-77.72%,病情指数为 14.41-53.12;仅'太行'草地早熟禾对BGP(TG)表现为中抗,'应县''黑杰克'和'浑源'草地早熟禾表现为中感,'探险家'和'奖品'草地早熟禾表现为极感,其余 17 个品种表现为高感,占比达 73.91%.[结论]山西省草地早熟禾白粉菌分离株BGP(TG)的致病力较强,进一步挖掘'太行'草地早熟禾的抗白粉病基因,对草地早熟禾抗白粉病育种工作具有重要意义.

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.

樟树(Cinnamomum camphora L.Presl.)是自然界中较少受病原体侵害的优良抗性种质资源.利用生物信息的方法对樟树叶组织转录组数据中NBS类抗病基因进行了鉴定,对其编码的假定蛋白的理化性质、保守基序及系统发生关系等进行分析.结果表明,在樟树叶组织转录组中共找到28个具有完整编码框的NBS类抗病基因,大小在2118-3378 bp之间,编码蛋白等电点在5.35-9.03之间;在NBS区域内鉴定获得8个保守motifs,系统发育树将28个成员分为5个亚组.通过PCR法克隆获得2个RNL类抗病基因全长,分别命名为CcRNL1和CcRNL2,在氨基酸序列水平二者相似性为71％,在多肽N端都具有RPW8-like保守序列,暗示它们可能具有拟南芥RPW8基因所具有的广谱抗白粉病功能.采集感白粉病和正常樟树幼叶进行表达分析,结果显示CcRNL1可被樟树白粉病菌诱导表达,推测其可能参与了响应白粉病菌胁迫反应过程.

在对长尖叶蔷薇和大花香水月季转录组测序的基础上,利用生物信息学方法,从其转录组数据中共获得23条MLO unigenes并对其进行了分析.结果显示它们之间的氨基酸数量、碱基数、分子量差异较小,多数为疏水性蛋白,平均亲水系数为-0.157 ～0.190,富含亮氨酸和丝氨酸.亚细胞定位主要分布于质膜中,包含5～9个跨膜结构;二级结构主要由α-螺旋组成.其中,等电点小于7的仅有1条,2条蛋白具有信号肽.这23条MLO蛋白具有15个长度在15～ 50个氨基酸间的保守基序.它们的系统进化关系分析结果揭示了MLO基因在长尖叶蔷薇与大花香水月季间具有较高的同源性和保守性.将这23条unigenes与来自于月季和拟南芥的MLO基因进行聚类分析,确定了6条可能参与抗白粉病的候选基因,对这6条候选基因进一步分析发现仅有2条unigenes符合MLO型白粉病基因的典型结构特征.最后,通过qRT-PCR试验验证,结果表明:这2条候选基因的相对表达量,在受到白粉病菌侵染后呈积极上调趋势.上述研究结果表明这2条候选基因很可能参与了寄主—白粉病菌的互作过程.

为探讨S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶(S-adenosylmethionine decarboxylase,SAMDC)基因在甜瓜抵御白粉病菌中的作用,根据已知EST序列和甜瓜基因组数据库,在甜瓜抗白粉病品种‘Yuntian930’中克隆获得该基因的全长编码序列,命名为CmSAMDC (GenBank登录号为KF151861).生物信息学分析表明,CmSAMDC的主开放阅读框(mORF)长1 095 bp,编码364个氨基酸,预测分子量为40 kDa.聚类分析表明,CmSAMDC预测蛋白与黄瓜和四季橘中该蛋白的同源关系最近,并与其他双子叶植物聚为一类.原核表达分析表明,CmSAMDC以融合蛋白形式表达,相对分子量约为40 kDa,与预测一致.实时定量表达分析表明,CmSAMDC基因受白粉病诱导表达,在接种后48 h表达量达到峰值,为接种前的7倍,并且在甜瓜的根、茎、叶、卷须中均有表达.结果提示该基因可能参与了甜瓜的抗白粉病反应.

MLO 基因家族是一类重要的植物抗病基因,MLO 蛋白的突变体对白粉病真菌表现出广谱抗性,且能特异性调控细胞死亡,利用自发的细胞死亡来应答发育或非生物刺激.为了分析蔷薇科植物MLO 蛋白的结构特征、系统进化及潜在功能,本研究利用生物信息学方法对在GenBank 中已登录的来自于蔷薇科的7个物种共计82 条具有完整ORF 的MLO 基因进行了分析.分析显示这82 条蛋白的氨基酸数量、碱基数、分子量差异较小,平均亲水系数为-0.191～0.253,绝大多数具有内含子结构;亚细胞定位主要分布于质膜中,包含5～8个跨膜结构;共有15个保守基序,长度在15～50个氨基酸之间.其中,等电点小于7 的仅有1 条,6 条蛋白具有信号肽.系统进化关系揭示了这些物种间具有较高的同源性和保守性;将其与其它物种中已鉴定的 MLO 基因进行聚类分析,筛选出32个可能与抗白粉病相关的候选基因;进一步序列比对分析,发现仅有17 条基因具有MLO 型白粉病基因所有的典型结构.因此,本研究表明,所选用的82 条蔷薇科MLO 基因中,仅有17 条基因可能参与寄主- 白粉病菌的互作过程.本研究为进一步研究蔷薇科及其他植物MLO 基因的抗病遗传机制提供了一些参考依据.

Mildew resistance locus O(MLO)蛋白是植物特有的一类蛋白家族,其中的部分成员是白粉病菌成功侵染寄主植物的必要因子.一个或多个MLO基因的功能缺失突变可赋予植物对白粉病菌广谱且持久的抗性,mlo介导的白粉病抗性在抗病育种中发挥了重要作用.植物中的MLO蛋白可以分为7个亚家族,除了参与植物与白粉病菌的互作外,不同亚家族的MLO蛋白还有很多其他功能.本文对MLO蛋白的特征、分类、功能进行了归纳,介绍了植物与白粉病抗性相关的mlo突变体特征及抗病机制,并对MLO基因的功能、作用机理研究及其在植物抗病育种中利用应注意的问题进行了讨论.