小麥對(duì)條銹病、白粉病和衰老抗性的分子細(xì)胞生物學(xué)研究.pdf

1、小麥?zhǔn)鞘澜缱钤绫获Z化的作物之一，也是世界上最重要的糧食作物。在中國(guó)它僅次于水稻，因此小麥生產(chǎn)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有十分重要的戰(zhàn)略意義。為了增加產(chǎn)量、改善品質(zhì)，育種工作者努力培育耐生物和非生物脅迫的品種。條銹病和白粉病是世界上影響小麥生產(chǎn)的最重要的病害。防治小麥條銹病和白粉病的最有效的方法是培育抗病新品種。但是，由于我國(guó)的小麥抗條銹病和白粉病育種的遺傳基礎(chǔ)較為狹窄和抗源匱乏，導(dǎo)致近年來我國(guó)的小麥品種抗條銹病和白粉病特性喪失速度加快，小麥條銹病和

2、白粉病的危害日益嚴(yán)重。許多研究證明小麥地方品種和它的近緣種屬是小麥條銹病和白粉病的重要抗性基因資源，在小麥抗條銹病和白粉病育種中有著巨大的潛能。在籽粒灌漿期葉片老化將縮短有效率光合時(shí)間，所以也是嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量的另一個(gè)重要的生物因子。本研究的目的在于探索小麥抗外部生物逆境(條銹病和白粉病)和內(nèi)部生物逆境(葉片老化)的分子細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)。其結(jié)果如下： 1、小麥條銹病抗性材料的遺傳組成分析 本研究用當(dāng)前我國(guó)流行的條銹菌生理小

3、種條中30、條中31、條中32、雜3、雜4、水源4和水源14對(duì)27個(gè)親本及其51個(gè)衍生的F1和42個(gè)F2以及3個(gè)回交F2代群體進(jìn)行接種鑒定。結(jié)果表明，R25、R57、R59、新抗5號(hào)、4285、愛民5號(hào)、愛民6號(hào)、溫麥1號(hào)和R88對(duì)病原物表現(xiàn)為免疫或近免疫。而安農(nóng)91168、陜253、蘇3110、魯955159、北Z76、煙輻188、溫麥6號(hào)、淮陰9628、豫麥47、豫麥62、藁城8901和對(duì)照中國(guó)春則表現(xiàn)為高感。遺傳分析和分子標(biāo)記鑒定

4、表明本研究使用的親本材料的抗性有四種不同的組成模式：即主效基因加微效多基因控制的數(shù)量抗性；受YrCN19控制的垂直抗性；受有別于YrCN19的一對(duì)顯性基因控制的垂直抗性；受寡基因控制的高抗材料。并將不同抗性基因進(jìn)行聚合雜交從中選出抗性強(qiáng)于雙親的抗性材料，特別是R57中很可能存在促進(jìn)條銹病抗性超親分離的基因。同時(shí)對(duì)這些抗性在小麥抗病育種中的利用進(jìn)行了討論。 2、小麥抗條銹病新基因YrCN19的鑒定、染色體定位及其診斷標(biāo)記

5、用當(dāng)前流行的條銹菌生理小種CYR30、CYR31、CYR32和目前新出現(xiàn)的生理小種H46-4，SY11-4andSY11-14進(jìn)行接種鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中國(guó)西南的幾個(gè)小麥品系(品種)對(duì)其具有高度的抗性。將抗病品系愛民6號(hào)和感病的BeiZ76雜交并做了遺傳分析，結(jié)果顯示該抗病性狀受一對(duì)顯性單基因控制。用218對(duì)小麥微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)112個(gè)F2單株構(gòu)成的F2群體進(jìn)行了連鎖分析，結(jié)果表明該基因位于2BS上，與Xgwm410標(biāo)記共分離，并繪制了該基因的

6、連鎖圖。從系譜、遺傳、分子標(biāo)記、和抗性鑒定等多方面分析，發(fā)現(xiàn)小麥品系(種)川農(nóng)17、愛民5號(hào)、愛民6號(hào)中的抗條銹病基因是一個(gè)新基因，暫命名為YrCN19。微衛(wèi)星標(biāo)記Xgwm410就是YrCN19的診斷標(biāo)記，它的發(fā)現(xiàn)必將加快小麥的分子標(biāo)記輔助選擇育種的進(jìn)程。 3、小麥抗條銹病基因YrCN19的診斷檢測(cè)和遺傳分析 用小麥條銹病抗性基因YrCN19的診斷標(biāo)記Xgwm410對(duì)19個(gè)小麥品種或品系進(jìn)行PCR篩選，其中川農(nóng)19、新抗

7、5號(hào)、愛民5號(hào)和愛民6號(hào)擴(kuò)增出與條銹病抗性基因YrCN19共分離的特征片斷，其大小為391個(gè)堿基。 4、基因?qū)蚣僬f分析和鑒定一個(gè)來自中間偃麥草的小麥條銹病新抗源 用當(dāng)前流行的小麥條銹菌生理小種CYR32對(duì)含Yr基因和不確定是否含Yr基因的小麥品系進(jìn)行接種鑒定，結(jié)果顯示在正式發(fā)表的條銹病抗性基因中只有很少數(shù)幾個(gè)對(duì)條銹菌生理小種CYR32是有效的。本研究用遠(yuǎn)源雜交的方法將中間偃麥草(Elytrigia.Intermedi

8、um)中的抗小麥條銹病基因?qū)肫胀ㄐ←湣?5、鑒定一個(gè)來自黑麥的小麥抗條銹病新基因YrR212 通過接種當(dāng)前流行的條銹菌生理小種CYR32，發(fā)現(xiàn)來自于中國(guó)西南地區(qū)的一個(gè)小麥品系R212對(duì)其具有高度的抗性。將抗病的R212與感病的小麥品系雜交，并進(jìn)行了遺傳研究，結(jié)果顯示該性狀受一對(duì)顯性單基因控制。盡管該基因?qū)π←湕l銹菌生理小種CYR32的抗性反應(yīng)與Yr5、Yr15、YrCN19相同，但是其系譜分析發(fā)現(xiàn)其抗源來自于黑麥。在目

9、前報(bào)道的抗條銹基因中，只有Yr9和YrCN17來自于黑麥。Yr9和YrCN17對(duì)CYR32表現(xiàn)為不同程度的感病，所以我們推斷小麥品系R212中的小麥條銹病抗性基因與Yr9和YrCN17不同是一個(gè)新的基因，故將基因暫命名為YrR212。 6、鑒定兩個(gè)來自中間偃麥草的抗小麥白粉病新基因Pm35和Pm36 小麥白粉病是影響小麥生產(chǎn)的世界性病害。實(shí)踐證明，抗病品種對(duì)小麥白粉病菌的?；钥剐允鞘躊m基因控制。目前為止已經(jīng)報(bào)道了33

10、個(gè)Pm基因來源及其染色體位置。不幸的是由于小麥白粉病菌具有群體大、生理小種多且變異快等特點(diǎn)，如果生產(chǎn)上大面積推廣使用單一抗源的品種，隨著白粉菌生理小種發(fā)生變化，常會(huì)出現(xiàn)新的致病類群，從而導(dǎo)致品種抗病性喪失。所以發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)制新的小麥白粉病抗源是小麥抗白粉病育種中的一項(xiàng)持久而又艱巨的任務(wù)。用當(dāng)前西南地區(qū)流行的白粉病生理小種對(duì)55份小麥種質(zhì)進(jìn)行接種鑒定，結(jié)果表明只有少數(shù)的小麥品種或品系對(duì)該生理小種有抗性。其中YU25是從八倍體小偃麥TAI704

11、7與小麥栽培品種川麥107雜交后代中選育出的對(duì)白粉病免疫的小麥育種新材料。本研究用感白粉病小麥品種MY11與YU25雜交和回交的后代F1、F2、F3、BC1F1和BC2F1為材料，采用人工接種，對(duì)YU25的白粉病抗性進(jìn)行了遺傳分析。結(jié)果表明，YU25含有2對(duì)表現(xiàn)免疫反應(yīng)和高抗反應(yīng)的顯性抗病基因，暫命名為Pm35(免疫)和Pm36(高抗)。用R2∶3家系分析發(fā)現(xiàn)Pm35和Pm36的遺傳是符合兩對(duì)基因顯性上位的遺傳規(guī)律，其中Pm35對(duì)Pm3

12、6起顯性上位作用。根據(jù)系譜和抗性鑒定的結(jié)果推斷Pm35和Pm36均為起源于中間偃麥草、不同于已知的抗小麥白粉病基因的2個(gè)新基因。小麥育種新材料YU25是白粉病抗性基因的復(fù)合體，在小麥抗白粉病育種中有著巨大的作用。 7、單個(gè)隱性cd5基因控制的小麥葉片黃化 小麥材料AIM9的葉片失綠表現(xiàn)型是受一對(duì)隱性單基因控制的，該基因暫命名為cd5。在10個(gè)源于雜交組合CN17/AIM9的F3分離家系中失綠植株和對(duì)照植株在許多生理指標(biāo)和

13、收獲指標(biāo)上呈現(xiàn)顯著差異。相關(guān)性分析表明收獲指標(biāo)與生理指標(biāo)，如凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量等呈顯著正相關(guān)；而與細(xì)胞間CO2濃度及丙二醛含量呈顯著負(fù)相關(guān)。透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)失綠葉片中的葉綠體發(fā)生不可逆的向心運(yùn)動(dòng)，整個(gè)過程大致經(jīng)歷以下幾個(gè)的階段：(1)葉綠體從葉綠體長(zhǎng)軸垂直于光線轉(zhuǎn)變至葉綠體長(zhǎng)軸平行于光線；(2)葉綠體的形狀從橢圓形轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形；(3)葉綠體脫離細(xì)胞壁向細(xì)胞中心運(yùn)動(dòng)。 8、小麥抗衰老的結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)機(jī)制 CN1

14、7是從1RS.1BL易位系中選育的一個(gè)能延緩葉片衰老小麥新品種，它在籽粒灌漿期的持續(xù)保綠并向籽粒中提供更多的碳水化合物。在控制實(shí)驗(yàn)條件下的研究表明，在灌漿期和旗葉衰老的過程中，保綠品種CN17和對(duì)照MY11種二者之間在凈光合速率、葉綠素含量、丙二醛含量、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性方面存在顯著的差異，CN17比對(duì)照種具有更持久的更高的光合速率。同時(shí)，研究表明二者在葉綠體的發(fā)育和變化上也存在差異。對(duì)照品種MY11的葉綠體在開花后大約二十

15、天開始降解而CN17在籽粒成熟時(shí)還維持較好的有效光合構(gòu)象。此外，川農(nóng)17在自然條件下的觀察也得到了類似的結(jié)果。因此，在生理、生化、結(jié)構(gòu)上的相互協(xié)調(diào)從而使得功能上保綠的品種CN17比對(duì)照品種MY11在籽粒產(chǎn)量和單株產(chǎn)量上更高。 9、在保綠小麥品種CN17中伴隨著雄配子傳遞概率降低的1RS的生理遺傳學(xué)效應(yīng) 來自于黑麥染色體中的1RS在小麥遺傳背景中不僅具有對(duì)幾種病害的抗性，而且具有提高籽粒產(chǎn)量的潛力。一個(gè)攜帶有小麥-黑麥1B

16、L/1RS易位系的保綠小麥品種CN17具有延緩葉片衰老和保持高的光合速率的特征，它相比于對(duì)照種綿陽(yáng)11而言具有功能上的保綠特性。在自然生長(zhǎng)條件下，川農(nóng)17和綿陽(yáng)11在形態(tài)、生理和產(chǎn)量因素上存在顯著的差異。在二者的雜交F2和回交BC1F1、BC2F1群體中，含有1BL/1RS染色體的植株和不含有1BL/1RS的植株在光合能力和產(chǎn)量指標(biāo)上存在顯著的差異，研究表明1RS能夠增強(qiáng)和保持高的光合速率。因此，它能夠在灌漿期通過持續(xù)的向籽粒提供同化物

17、而提高產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管小麥-黑麥1BL/1RS易位系的雄配子傳遞頻率是降低的，但因?yàn)榇婆渥拥膫鬟f是正常的所以結(jié)實(shí)率不受影響。利用1RS等外源染色體在小麥育種中選育保綠型品種，它們能在灌漿期延長(zhǎng)有效的光合反應(yīng)以提高產(chǎn)量。本研究表明通過遠(yuǎn)緣雜交的方式將外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入普通小麥培育高光效的抗衰老的小麥新品種是可行的。它將推動(dòng)小麥的生理學(xué)育種。 10、小麥品種川農(nóng)17的保綠性狀的生理遺傳學(xué)分析 考察了雜交組合MY11/R5

18、7的P1、P2、F2、B1、B2五個(gè)世代的光合速率、氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間CO2濃度、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、莖葉夾角、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、單株重等12個(gè)數(shù)量性狀，以期為遺傳育種提供參考。在這些性狀顯著變化的世代中進(jìn)行了遺傳力和相關(guān)性分析，結(jié)果顯示這些性狀均具有高的遺傳力。對(duì)含有1RS/1BL的群體和不含有1RS/1BL的群體的相關(guān)性分析表明，在同一時(shí)期二者的相關(guān)系數(shù)顯著性不同。生理分析表明1RS在提高產(chǎn)量方面具有重要作用，在高光效育種中，它將表現(xiàn)出巨大