小麦抗条锈病分子标记辅助育种研究进展.pdf

小麦抗条锈病分子标记辅助育种研究进展畅喜云1,2,陈志国13,窦全文1,刘瑞娟1,2(1.中国科学院西北高原生物研究所,青海西宁810001;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要 小麦条锈病是小麦生产的主要病害之一。在中国,尤其是西北麦区,小麦条锈病是小麦生产面临的最严重问题。筛选和培育抗锈基因是防治小麦条锈病最为经济、安全、有效的方法。综述了分子标记辅助育种技术在小麦抗条锈病育种上的研究概况和发展运用。关键词 小麦;抗条锈基因(Yr基因);分子标记辅助育种(MAS);微卫星标记(SSR);数量性状基因座(QT L)中图分类号S512.1 文献标识码A 文章编号0517-6611(2005)09-1695-03Survey of the Wheat V ariety with the Resistance to Stripe Rust DiseaseCHANG Xi2yun et al(Northwest Plateau Institute of Biology,the Chinese Academy of Sciences,Xining,Qinghai 810001)AbstractStripe rust(yellow rust)is one of the most devastating disease of wheat in the world.In China,especially western China,the stripe rust diseaseis the most serious problemfor wheat production.Selecting and pyramiding resistance genes to stripe rust is the most economical,effective and safety wayin breeding programme.The study on the development of molecular assistant marker in wheat breeding was mainly summarized in this paper.K ey wordsWheat;Resistant genes(Yr genes);Stripe rust;M olecular marker assistant selection;SSR;QT L 小麦条锈病(Puccinia striiformisWest.f.sp.Tritici)是小麦主要病害之一。筛选和培育抗病品种是防治小麦条锈病最为经济、安全和有效的方法。采用常规育种方法培育抗病品种虽然可以有效控制该病的发生与流行,但耗时耗力,难以适应条锈菌生理小种的变化速度。而分子标记辅助育种可有效缩短育种进程,加快新品种的培育和利用,从而达到有效控制小麦条锈病发生的目的。1 小麦条锈病危害程度及流行趋势小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦条锈菌(Puceinia stri2iformis)引起的,属真菌病害。条锈菌以夏孢子世代危害小麦,主要在小麦叶片上重复侵染并迅速扩大危害范围,导致植物养分消耗,叶片干枯死亡,从而失去光合作用能力,最终影响小麦产量。据统计,2002年小麦条锈病在我国大流行,受灾面积约660万hm2,造成小麦大面积严重减产,有些地区甚至颗粒无收。自20世纪50年代以来,我国条锈病流行区的主栽品种由于抗性的丧失,已经进行了57次品种更替。19911993年,在四川、甘肃等地区发现条中30、条中31小种以及H46和水源致病类型等生理小种,使一些主栽品种丧失了抗病性。近年来产生的条中32生理小种,毒性谱宽,致病性强,分布范围广,出现频率高,已成为目前小麦条锈病菌的优势小种1。条中32对含Yr1,Yr2,Yr25,YrVII,Yr3a,Yr4a,Yr6,YrHK,Yrl,Yr22,Yr23,Yr9,YrCle,Yr17,Yr27,YrA,Yr2CV1,YrCV2,YrCV3,YrG,YrSO等基因的品种均具有毒性,只有Yr5(Triticum spelta album),中4,M oro(Yr10,YrM or)等基因能有效抵抗条中32。根据中国农业科学院植物保护研究所小种监测结果,19972000年条中32所占比重在14%24%,2001年上升到28.79%,成为目前唯一的优势小种,也是毒力最强的小种。基金项目 中国科学院创新领域课题(CX LY200226);中国科学院、中共中央组织部“西部之光”人才培养计划专题;青海省重点科技攻关项目。作者简介 畅喜云(1976-),女,河南许昌人,在读硕士生,从事植物分子育种学研究。3 通讯作者,E2mail:zgchen 。收稿日期 20052042112 小麦抗条锈病分子标记育种方法与手段生产实践证明,小麦育种是防治小麦条锈病最为经济、安全、有效的方法。传统育种是从分离后代中通过表型观察选择理想的重组基因型,具有直观、简单的优点,但费时费力,需具备丰富的田间育种经验;而且小麦大多数重要的性状都是数量性状,容易受环境条件的影响,选择的准确率低。分子标记则通过是否与目标基因共分离或紧密连锁来判断目标基因是否存在,直接以DNA的形式表现,无组织特异性,不受季节、环境限制,数量多,遍及整个基因组,多态性高,能够区分纯合基因型和杂合基因型,不需要考虑作物生长条件和环境条件,同时减少来自同一位点不同等位基因或不同位点的非等位基因间的互作干扰作用。分子标记在小麦育种的各个方面都得到广泛地应用,并取得了较好的效果。但由于近年来小麦群体抗病基因严重的单一化,抗病品种种植后,虽然抑制原有病原菌生理小种的发展,同时也诱导新的变异生理小种,使其成为竞争优势和毒性更强、更广的新优势小种,导致原有抗病品种失去抗性。在生产中尽快培育和利用新的持久抗病品种是防治该病的关键,而分子标记技术为其提供了可能。分子标记可以通过遗传作图来发现基因或是控制重要特征的QT L,同时结合两者来培育新品种。分子标记辅助选择育种(molecular assisted selection,MAS)是现代分子生物学与传统遗传育种相结合的新育种方式和手段。通过分子标记辅助的回交转育可以减少回交次数和回交群体,有利于快速累积目标基因,明确育种目标,提高选择效率,可以创造具有多个抗病基因的持久抗性品系。分子标记辅助育种可以选择转基因作物的后代,用于目标质量性状的选择和数量性状的选择(QT L)。目前在小麦分子标记研究中,应用较多的是RFLP、RAPD、ISSR、SSR和AFLP技术。RFLP稳定性好,技术复杂,需要放射性同位素,成本高,在小麦上的多态性低;SSR需要预先测序,合成特异引物;AFLP多态性高,但具有RFLP类似的问题。RAPD技术相对操作简单,不需预先测序,引物可以通用,检测位点多,但重复性差;ISSR的引物不需要预先的DNA测序,但可能在特定基因组中没有配对区域,也没有扩增产物。由于SSR的简单安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2005,33(9):1695-1697 责任编辑 金琼琼 责任校对 金琼琼 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/和高效,已经取代RFLP应用于大多数的植物杂交育种中。微卫星(micro2satellite or SSR)在小麦抗病育种中应用广泛,尤其是分子连锁图谱的构建为标记和定位基因提供了便捷,而对于未知的基因可用BSK(bulked segregant analysis)的方法快速定位和标记。SSR分布在小麦的整个基因组中,存在着较大的遗传变异性,能够检测到很高的多态性,而且是共显性分子标记,能够揭示等位基因位点的遗传差异。SSR的显著特点在于其精确性,很适合小麦这样基因组庞大,而且只有1/3的同源位点被精确标记的植物。Roder等2在1998年构建了包含279个标记位点的小麦微卫星图谱,为小麦目的基因的定位和标记建立,特别是已知基因的标记建立提供了极大的方便。目前在已建立分子标记的抗条锈病基因中,8个是由SSR分子标记构建的310。近年来增加了对ESTS(expressed sequence taggs)的利用,并已经用于许多植物的SSR标记中。由于这些SSR是在ESTS基因中得到的,所以EST2SSRS展示了更大的潜力1113。EST2SSR标记的引物设计遵循2个原则:一是在超整群分析的基础上设计多物种引物;二是物种特异引物设计的原则13。ESTS在小麦中应用的有效性为DNA分子标记提供了价值很高的资源,为进一步挖掘新的抗病资源提供了方便。2.1 单基因控制的小麦条锈病抗病基因 小麦抗条锈病基因主要有2个来源:普通小麦;普通小麦的近缘属种。在已经发现命名的32个抗条锈病基因位点Yr1Yr32中,除了Yr5,Yr8,Yr9,Yr15来源于小麦近缘种(Yr5,Yr8Yr9和Yr15分别来自斯卑尔脱小麦、顶芒山羊草、黑麦和野生二粒小麦),其他都来自于普通小麦,其中Yr11,Yr12,Yr13,Yr14,Yr16,Yr18,Yr19,Yr20,Yr29,Yr30,Yr31,Yr32为成株期抗病基因,其余为全生育期抗病基因,并发现在Yr3、Yr4位点上存在复等位基因现象(表1)。YrH52是从六倍体小麦的祖先Triticum dicoccoides中得来的,被认为是一种新型的抗性基因,定位在1B染色体上14。YrSp,YrSk,YrA,YrC591,YrGaby,YrH52等基因的发现和利用也提供了很好的小麦抗病资源。表1小麦抗条锈基因Y r基因染色体定位连锁基因基因来源检测品种检测品种中的其他基因12AChinese 1 66Chinese 16627BHeines V 11Heines V 11H V 113a1BVilmorin23Vilmorin23V 233b1BHybrid 46Hybrid 464b H 463c1BMinisterMinisterM in4a6BCapelle2DesprezCapelle2Desprez3a,164b6BHybrid 46Hybrid 464b,H 4652BLLT riticum spelta albumT.spelta album67BSHeines K obenHeines K oben2,HK72BLSr9 8Lumillo durumLeeLel,Le282DSr3 4T.comosaCompairCom92BLSr31 Lr26Imperial ryeRiebesel 47/51101BSM oroM oroM or11Joss ChambierJoss Chambier12CarboMega13IbisMaris Huntsman14FalcoMaris Bibo151BSDippes T riumphT.dicoccoides G225162DSCapelle2DesprezCapelle2Desprez3a,4a172AST.ventricosaVPM 1187DFrontana195BCompare206DFielder211BLemhi224DLeeLee7,23236DLeeLee7,23241BK 733(durum)251DTP1295Strubes Dickkopf266ASHaynaldia villosa(Daspyrum illosum)扬麦5号Y angmai 5272BSLr13Selkirk284DST.tauschiiW2219291BLLr46LalbahadurLalbahadur303BSOpata 852.2 多基因控制的小麦QTL研究进展 QT L(quantative traitloci)定位是分析整个染色体组的DNA标记与数量性状表型值的关系,从而将QT L定位到染色体的相应位置