小麦白粉病抗性QTL分析

作　物　学　报

ACTAAGRONOMICASINICA

Vol131,No16

pp1692-696　Jun1,2005

小麦白粉病抗性QTL分析

霍纳新　周荣华　张丽芳　贾继增

Ξ

(中国农业科学院品种资源研究所Π农业部作物种质资源与生物技术重点实验室,北京100081)

摘　要:本研究以国际小麦作图组织提供的(W7984×Opata85)重组近交群体为材料,2001-2002年对其亲本和114个株

系进行了人工接种条件下的抗白粉病鉴定,并利用基于混合线性模型的复合区间作图软件QTLMAPER,进行了抗白粉病QTL分析,共检测到3个与小麦白粉病抗性相关的加性QTL,分别位于3B、5D、7D染色体上,可以解释4218%的表型变异。其中位于7D染色体的QTL贡献最大,可解释抗性变异的2916%。另有2对互作基因可以解释1210%的表型变异。关键词:小麦;白粉病;QTL中图分类号:S512

MappingQuantitativeTraitLociforPowderyMildewResistanceinWheat

HUONa2Xin,ZHOURong2Hua,ZHANGLi2Fang,JIAJi2Zeng3

(KeyLaboratoryofCropGermplasm&Biotechnology,MinistryofAgriculture;InstituteofCropGermplasmResources,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,

Beijing100081,China)

Abstract:Powderymildewisoneoftheseriousdiseasesofwheatintheworld1Theattempttocontrolpowderymildewwithmajorresistancegeneshasnotprovidedadurableresistance1Breedingforquantitativeresistancetothediseaseismorepromising,butisdifficulttoselectonaphenotypicbasis1MolecularmarkerslinkedwithQTLsforadult2plantresistanceofferthepossibilityofmarker2assistedselectionforquantitativeresistance1Inthisstudy,apopulationof114RILlinesfromthecrossof(W7984×Opata85)wasevaluatedforpowderymildewresistanceunderinoculationconditionduring2001-20021Thegeneticlinkagemapwasgainedbasedonthe938segregationmarkerspublishedonline1Withthemethodofmixed2modelcompositeintervalmapping,threeputativeQTLsrelatedtopowderymildewresistanceweredetectedinthispopulation,totallyaccountedfor4218%ofphenotypicvariation1Thelargestandmostconsistentpowderymildewresistancelocuswasidentifiedontheshortarmofchromosome7D,accountedfor2915%phenotypicvariation1TheresistanteffectsderivedfromOpata851TheothertwominorQTLslocatedonchromosome3Band5D,accountedfor713%and519%ofphenotypicvariation,respectively1AnalysisindicatedthatresistanteffectsderivedfromOpata85andsyntheticlineW79841Twodigenicinteractionsassociatedwiththisdiseaseweredetectedinthispopulation,totallyaccountedfor11199%ofphenotypicvariation1Keywords:Wheat;Powderymildew;QTL

　　由专性寄生真菌小麦白粉病菌(BlumeriagraminisDCSpear=ErysiphegraminisDC)引起的小麦白粉病是世界各地许多国家小麦生产中的主要病害之一。染病小麦穗粒数减少、粒重降低,一般流行年份减产5%～10%,严重时可减产30%。近年来,由于耕作制度的改变和感病品种的大面积种植,小麦白粉病的危害日趋严重。培育抗病品种是控制病害的有效途径之一。

小麦对白粉病的抗性表现为单基因控制的质量抗性和多基因控制的数量抗性。迄今已有29个小

Ξ基金项目:国家重点基础研究计划(2004CB117202)。

麦抗白粉病基因(powderymildew,Pm),45个基因被正式命名

[1～6]

,并选育出很多含有主效基因的抗病

品种。但是由于病原物生理小种的变异,其中一些品种的抗性已经丧失。如20世纪70年代我国利用含有黑麦血统Pm8的高加索、阿芙乐尔、洛夫林等抗源选育了一大批抗病品种,该抗源抗性丧失后,致使很多大面积推广的品种感病。而Pm1、Pm3、

Pm5、Pm7的抗病性在我国也相继丧失

[7,8]

。因此,

表现持久抗病的数量抗性已被越来越多研究者重

作者简介:霍纳新(1968-),博士,副研究员,主要从事小麦资源抗病遗传研究。3通讯作者:贾继增。Tel:010262186623;E2mail:jzjia@

mail1caas1net1cn

Received(收稿日期):2004203220,Accepted(接受日期):20042082201

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视。Diplomat是德国一个表现稳定田间抗性的品种,Chae等利用两套单体系对其进行抗性遗传分析,表明共有14条染色体控制其抗病性。其中4D、5A、5B、5D和7A染色体上的抗性位点与成株期白粉病抗性有关,而2D、6D染色体与控制抗性及病害

[9]

的扩展程度相关。Keller等对一个小麦×斯卑尔脱小麦分离群体进行了抗白粉病的QTLs分析,获得了与白粉病抗性相关的18个QTLs,分布在14条染

[10]

色体上。其中位于7B染色体的QTL的贡献达3118%。Chantret等利用BSA法分析RE174和Hardi(感病品种)杂交组合的140个F3家系,将M1RE定位在6A染色体长臂上,同时检测到一个位于5D染

[11]

色体的抗病QTL。

(W7984×Opata85)重组自交群体是国际小麦族作图计划用于构建小麦遗传连锁图的作图群体,该群体的双亲遗传差异大,分子标记多样性频率高,利用该群体绘制的小麦遗传连锁图谱的分子标记已达近千个,平均每条染色体上有40多个标记,达到较为饱和的程度。利用该群体已对小麦黄斑病(Pyrenophoratritici2repentis)[12]、小麦叶锈病(Puccinia

[13,14][14]

recondita)、小麦白粉病(Blumeriagraminis)、

[14][14]

小麦品质、产量构成因素等许多重要的目标性状进行作图。本研究对该群体进行了田间白粉病接种鉴定和抗白粉病QTL分析。

病情指数。

Σ各病级×(最高病级×病情指数(DI)=(株数)Π

总株数)×100113　表型性状的统计分析

利用SAS软件对抗病性鉴定结果进行方差分析和显著性测验。114　遗传连锁图构建

根据已经公布的938个不同标记在(W7984×Opata85)重组自交系群体中的分离数据(gopher:http:ΠΠwww1greengenes1cit1cornell1edu),利用MAPMAKER(Version310b)软件运算[16],获得了该群体的遗传连锁图,其中846个标记分布在21条染色体上。各标记的连锁关系和距离与文献报道一致。115　数量性状位点(QTL)分析

采用基于混合线形模型的复合区间作图法的

[17]

QTL定位软件QTLMapper进行分析。在单一环境中,DH群体和RI群体的个体k的表现型值可用混合线形模型表示:

Yhk=μ+ai×Aik+aj×Ajk+aaij×AAijk　　其中,μ是群体均值,ai和aj分别是两个基因位点Qi和Qj的加性主效应,aaij是Qi和Qj的加性×加性上位性主效应,Aik、Ajk、AAijk分别是加性和上位性主效应的系数。

QTLMapper软件的分析过程主要包括以下几个步骤:(1)通过逐步回归分析或方差分析筛选出与有关性状显著相关的标记以及互作标记,以用来控制遗传变异背景和自动决定进行QTL定位及上位效应分析的基因组范围。(2)QTL的定位(假设QTL间不存在上位效应)。(3)QTL的加性效应分析。(4)上位效应分析。

1　材料和方法

111　试验材料

　　国际小麦作图组织(ITMI)提供的(W7984×

Opata85)重组自交系群体,其中Opata85为国际小麦玉米改良中心(CIMMYT)培育的春小麦品种,W7984是由硬粒小麦(Triticumdurum)Altar84与粗山羊草[Ae1tauschii,DD基因组供体]CIGM861940合成的双二倍体,该群体共有114个株系用于本研究。112　抗病性鉴定鉴定材料单行种植于中国农业科学院作物品种资源研究所小网室,行长50cm,行距30cm。每畦四周种植京双16作为感病对照,3次重复。接种用小麦白粉病菌为北京地区流行的15号生理小种,在小麦拔节期,将繁殖于感病品种京双16上的白粉病菌抖撒在待鉴材料上,并将带菌麦苗均匀移栽在感病对照之间。接种后,灌水保湿以利发病。

在小麦灌浆期调查病害,成株期病害分级标准参照盛保钦等修改的CIMMYT的叶部病害评价9级

[15]

分级标准。

每个重复分别记载15株小麦的病级,依此计算

2　结果与分析

211　抗病性鉴定结果分析　　(W7984×Opata85)群体抗病性表现为连续分布(图1),亲本和各株系的病情指数范围在34167～97188之间,群体的平均病情指数为71177,标准差

为14135,变异系数为33102%。偏度系数-0188,峰度系数为2123。亲本Opata85和W7984的病情指数分别为70125和77153。可见,两个亲本均为感病,其中Opata85的病情指数略低于群体的平均数,W7984的病情指数高于群体的平均病情指数,但后代中有明显的超亲个体出现。群体中有5个株系的平均病情指数为3415%～38%,对白粉病表现为中等抗性。

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图1(W7984×Opata85)重组自交群体对

白粉病的抗性频率分布

Fig.1Frequencyofdiseaseindextopowdery

mildewinthemappingpopulationof(W7984×Opata85)

212　(W7984×Opata85)群体抗白粉病加性QTLs

进行分析,共检测到3个与小麦白粉病抗性相关的

QTLs(表1,图2),可以解释4218%的表型变异。位于3B染色体的XksuG532Xfba190区间的QTL,解释713%的表型变异,5D染色体的加性QTL在Xmwg9222Xbcd1103区间,可以解释519%的表型变异,7D染色体上的QTL在Xwg8342Xbcd1438区段,对白粉病的抗性贡献最大,变异解释率达2916%。这些QTL的效应分别来自两个亲本,其中位于5D染色体上QTL的效应由亲本W7984提供,位于3B、7D染色体的QTL的效应由亲本Opata85提供,可见两亲本对白粉病的抗性均有贡献,但来自亲本Opata85的效应对表型的变异解释率明显高于W7984。

分析　　对(W7984×Opata85)群体抗白粉病加性QTLs

图2

Fig.2

(W7984ΠOpata85)RIL群体中与白粉病抗性相关QTL的染色体定位

ChromosomelocationofQTLsassociatedwithpowderymildewresistanceinW7984ΠOpata85RILpopulation

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213　(W7984×Opata85)群体抗白粉病加性上位

表1

Table1

与小麦白粉病抗性相关的加性QTLs分析

Analysisofadditiveeffectrelatedtowheatpowderymildewresistance

QTLs分析

染色体Chrom1

3B5D7D

区段

IntervalXksuG532Xfba190Xmwg9222Xbcd1103Xwg8342Xbcd1438

LOD

加性效应

Add1eff1

41283-318581603

3333333

变异解释率

Varexp(%)

7133519429155

　　共检测到两对互作基因影响小麦对白粉病的抗性,可以解释1210%的表型变异,参与互作的位点所在的染色体区段分别为3B的Xfbb14712XksuG53与3B的Xbcd1380112XksuH7、5D的Xmwg9222Xbcd1103与7B的Xwg1802Xfbb195,对表型的变异解释分别为414%和716%(表2)。

2190413027115

表2

Table2

与小麦白粉病抗性相关的加性上位性QTLs分析

A位点效应Alocieff4168333-314933

B位点效应Blocieff21263-6133333

AnalysisofepistasiseffectrelatedtowheatpowderymildewresistanceQTL标记区间BQTLmarkerintervalBXbcd1380112XksuH7Xwg1802Xfbb195LOD

染色体

Chrom3B5DQTL标记区间AQTLmarkerintervalAXfbb14712XksuG53Xmwg9222Xbcd1103染色体

Chrom3B7B上位效应

Epieff317333-419033

3变异解释率%

Varexp41407160514751673　　讨论

311　超亲遗传是自然界一种普遍的遗传现象,Hautea等报道了小麦对白粉病抗性中的超亲遗传现

象。本实验用于作图的两个亲本对白粉病表现感病,但后代中分离出部分抗性较好的材料,表现出明显的超亲遗传。进一步的QTL分析中,在两个亲本中都检测到与抗性相关的加性位点,表明两亲本都含有抗性基因。已知亲本之一Opata85为墨西哥当地栽培种春小麦,另一亲本W7984是由硬粒小麦Altar84与粗山羊草CIGM861940杂交培育而成,因而推测两亲本的抗性基因位点很有可能是不同的,这些位点的累加效应是后代超亲个体的遗传基础之一。分析群体中4个表现极端抗病单株的基因型,表明4个单株聚合了双亲在QTL区间的抗病等位变异。分子标记技术的发展,为发掘、鉴定种质资源中QTL的等位变异提供了有效的技术手段,通过标记辅助选择培育聚合不同QTL等位变异的高抗品种,将成为优异基因资源鉴定与利用的一条新途径。312　数量性状遗传在一定程度上受到环境的影响,研究发现一个群体在不同的环境下,检测的QTL数

[19]

量及效应可能存在不同程度的差异,遗传力较高

[20]

的基因位点其效应在不同环境中的稳定性较好。本研究在(W7984×Opata85)重组自交系群体检测到3个与白粉病抗性相关的QTL,分别位于3B、5D和7D染色体。Bo¨rner在相同群体中,通过多年多点的抗病鉴定和QTL分析,共检测到6个与白粉病抗性相关的QTL,分别位于2D、3B、4B、5D、6A

[14]

和7D染色体。其中5D和7D染色体的QTL与本试验中的QTL位于相同的染色体区间,且抗病效应

[18]

来源于相同的亲本,是两个试验同的QTL。本

研究中7D染色体短臂的QTL效应值最大,能解释29155%的表型变异,而Bo¨rner在2年3点的实验中也检测到该QTL,可见其抗性效应在不同年度和地点间稳定性较高。

Bo¨rner未检测到本研究中位于3B染色体短臂的QTL,而本研究中未检测到位于2D、3B染色体长臂、4B、6A染色体的QTL。推测其原因可能有两个,一是这些不同的QTL的遗传效应较小,由于与环境的互作,其效应可能在不同的环境中被掩盖,无法检测。另一个原因是两个研究中所用病原菌的毒力不同,而不同的QTL具有不同的寄主专化性。313　Nelson和Bo¨rner等用相同群体均检测出抗叶

[13,14]

锈病的QTL,与本研究中7D染色体短臂上遗传效应稳定的抗白粉病QTL在相同的染色体区间。Chen等在比较水稻、大麦对梨孢霉(Pyriculariagrisea)的数量抗性中发现,部分抗稻瘟病QTL与前人在相同群体中检测的抗纹枯病QTL在相同的染色体区间,而部分大麦抗瘟病QTL与相同群体中定位的抗条锈、白粉病QTL亦在相同的染色体区[21]

间。这些研究表明植物对病原菌的数量抗病性也存在某些保守的防御机制,Gorlach、Schweizer等在对稻瘟病和大麦白粉病的诱导抗性研究中发现,单子叶植物的系统获得性抗性(SAR)具有某些相同的

[22,23]

生化反应途径。进一步证明植物对病原菌的数量抗性具有保守的防御机制。

314　近年的研究发现许多防御反应基因与抗病QTL紧密连锁,这些防御反应基因不仅可以作为分子标记直接在辅助选择中应用,还可以作为候选基

[24]

因深入了解抗病反应的遗传基础。Wang等将6

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个抗病EST定位于2号染色体上水稻抗纹枯病QTL

所在的区间,这6个EST分别编码苯丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase,PAL)、基质抗坏血酸过氧化物酶(stromalascorbateperoxidase,SAP)、病程相

[25]

关蛋白、奇甜蛋白等。本研究获得的5D染色体

[26]

Xmwg9222Xbcd1103区间的QTL与Li定位在该作图群体的病程相关蛋白(Pr1)位于相同的染色体区

[27]

间,已知该基因参与了小麦抗白粉病过程,进一步探讨防御反应基因与抗病QTL的相关性将有助于在基因组水平进行QTL的功能分析和抗病机制研究。

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