作物杂志, 2020, 36(4): 16-20 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2020.04.003

专题综述

小麦Fhb1基因定位、克隆及其在抗赤霉病育种中利用的研究进展

刘东军,, 宋维富, 杨雪峰, 赵丽娟, 宋庆杰, 张春利, 辛文利,, 肖志敏

黑龙江省农业科学院作物资源研究所,150086,黑龙江哈尔滨

Progress of Wheat Fhb1 Gene Locating and Cloning and Its Utilization in the Resistance Breeding

Liu Dongjun,, Song Weifu, Yang Xuefeng, Zhao Lijuan, Song Qingjie, Zhang Chunli, Xin Wenli,, Xiao Zhimin

Crop Resources Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, Heilongjiang, China

通讯作者: 辛文利,主要从事小麦遗传育种工作,E-mail: xinwenli1966@163.com

收稿日期: 2019-12-20   修回日期: 2020-02-11   网络出版日期: 2020-07-08

基金资助: 国家重点研发计划(2016YFD0100102)
黑龙江省农业科学院重点基金(2019YYYF001)
国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-1-8)

Received: 2019-12-20   Revised: 2020-02-11   Online: 2020-07-08

作者简介 About authors

刘东军,主要从事小麦遗传育种工作,E-mail: dongdong415@126.com

摘要

赤霉病已成为小麦第一大病害,严重影响小麦的产量和品质。目前,抗性品种结合化学防治的方法成为当前防治赤霉病的最有效途径。小麦赤霉病抗性受多种基因控制,其中,Fhb1基因抗性效应最大,且抗性稳定,在小麦赤霉病抗性方面具有重要作用。本文综述了赤霉病主效抗性基因Fhb1的定位、分子标记和克隆技术的最新研究进展。利用选择性回交技术和矮败小麦平台将Fhb1基因导入当地小麦中可提升赤霉病抗性,进而结合化学防治方法为我国小麦安全生产提供保障。

关键词: 小麦 ; 赤霉病 ; Fhb1基因 ; 利用

Abstract

Fusarium head blight (FHB) has become the major disease of wheat, which seriously threatens wheat production as well as consumers health in China. At present, resistant varieties combined with chemical control have become the most effective ways to combat FHB. FHB resistance is controlled by many genes. Fhb1 was identified effective and stable gene, and plays an important role in improving the FHB resistance. The location, molecular marker, cloning , the utility value and application mode of Fhb1 gene were reviewed in this paper. Introduction of Fhb1 gene by selective backcross improves FHB resistance, combined with chemical control to provide security for wheat production in China.

Keywords: Wheat ; Fusarium head blight ; Fhb1 gene ; Utilization

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本文引用格式

刘东军, 宋维富, 杨雪峰, 赵丽娟, 宋庆杰, 张春利, 辛文利, 肖志敏. 小麦Fhb1基因定位、克隆及其在抗赤霉病育种中利用的研究进展[J]. 作物杂志, 2020, 36(4): 16-20 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.04.003

Liu Dongjun, Song Weifu, Yang Xuefeng, Zhao Lijuan, Song Qingjie, Zhang Chunli, Xin Wenli, Xiao Zhimin. Progress of Wheat Fhb1 Gene Locating and Cloning and Its Utilization in the Resistance Breeding[J]. Crops, 2020, 36(4): 16-20 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.04.003

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小麦赤霉病(fusarium head blight,FHB)是由禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)等多种镰刀菌引起的一种全球性真菌病害。小麦赤霉病流行不仅会造成小麦产量降低和品质下降,而且病原菌侵染过程中产生的单端孢霉烯族毒素(trichothecene)已被列为第三类致癌物,对人畜健康有严重为害[1,2]

小麦赤霉病病原菌寄主广泛,且在赤霉病流行地区普遍存在。目前主要采用化学防治、生物防治和农业防治等方法防治小麦赤霉病。其中,化学防治受环境及病原菌二次侵染等因素影响,防治效果不佳,且已发现病原菌对戊唑醇和苯丙咪唑类杀菌剂产生抗性[3,4]。生物防治应用较广的菌株是芽孢杆菌和假单胞杆菌,现还处于探索阶段[5]。农业防治主要是通过栽培措施和品种遗传改良来降低赤霉病为害程度,通过轮作、灭茬和排水减湿等栽培措施防治赤霉病效果十分有限。由于赤霉病抗性机制复杂,通过品种遗传改良的方法培育高抗品种目前难度极大,因此,现阶段对赤霉病的防治仍以农业防治结合化学防治为主,主要是在推广种植中感或中抗赤霉病小麦品种的基础上,在小麦开花期喷防治赤霉病的化学药剂1~2次进行综合防治。在目前高抗小麦赤霉病品种极度匮乏的情况下,选育抗性品种结合化学防治已成为我国小麦生产中防治赤霉病的主要方法。如2010年,江苏省植物保护站对当地小麦赤霉病调查结果[6]显示,一般品种自然病穗率50%~70%,高感品种超过80%,经过化学防治后,豫麦34、矮抗58、郑麦9023、淮麦22和烟农19等感病品种平均病穗率为19.80%~38.90%,病情指数为7.11~32.90;扬麦、宁麦和镇麦等中感或中抗品种系列品种平均病穗率为2.72%~7.97%,平均病情指数为1.16~3.40。上述数据说明,中感或中抗品种结合化学防治是目前降低赤霉病为害的主要方法。

小麦赤霉病抗性是受多种基因控制、呈连续性变异的复杂数量性状。目前,已经定位250多个赤霉病抗性QTL位点[7],分布于小麦21对染色体上[8],现已明确与命名的抗性基因有Fhb1~Fhb7[9,10,11,12,13,14,15]。其中,Fhb1作为赤霉病抗性主效基因已经得到普遍认可。本文综述了小麦赤霉病主效抗性基因Fhb1克隆技术的研究进展,诊断性分子标记,以及该基因在小麦中的利用价值和应用模式,为提升小麦赤霉病抗性水平提供科学依据,进而结合化学防治保障我国小麦安全生产。

1 我国小麦赤霉病病原菌分类和发生趋势

生态环境差异和病原菌内在遗传基础差异使我国小麦赤霉病菌种及其产生的单端孢霉烯族毒素类型存在明显地理分化现象[16]。如北部黄淮海麦区和东北春麦区的菌株主要为产15-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇(15-acetyl deoxynivalenol,15-AcDON)毒素的F. graminearum. s. str.,南部长江中下游麦区主要为产3-乙酰基脱氧雪腐镰刀菌烯醇(3-acetyl deoxynivalenol,3-AcDON)毒素的F. asiaticum,而西南麦区主要为产雪腐镰刀菌醇(nivalenol,NIV)毒素的F. asiaticum[17,18]。有研究认为,镰刀菌产毒类型主要受病原菌侵染时的酸碱度、温度和湿度影响[19]。另外,根据我国小麦赤霉病病原菌重复序列多态性的差异,大致可划分为以下3个群体:Fg15ADON、Fa3ADON和FaNIV。其中,产生15-AcDON毒素的F. graminearum. s. str.是一个大的相对独立的随机交配群体。产生3-AcDON和NIV的群体交流较多,并表现为3-AcDON群体有取代NIV群体的趋势。分析其中原因,可能与3-AcDON群体的病菌侵染量大、致病性和抗药性强,并具有较为广泛的生态适应性等因素有关[18]

受全球气候变暖及玉米秸秆还田面积逐年扩大等因素影响,我国赤霉病流行越来越频繁,流行范围越来越大,对小麦生产为害越来越严重。如在2000-2016年,小麦赤霉病发病面积超过330万hm2的年份高达9个,流行范围已从长江中下游麦区和东北春麦区向黄淮麦区和北方麦区扩展[20]。每年约有700万hm2的小麦受到赤霉病为害,导致产量损失200万~300万t。其中,2012年,仅河南省小麦赤霉病发病面积就高达340万hm2,部分地区产量损失高达1.9t/hm2[21]

2 小麦赤霉病抗源挖掘与利用

抗源挖掘是小麦赤霉病抗性遗传改良的重要前提。在国内赤霉病抗源挖掘方面,1974-1984年,全国小麦赤霉病研究协作组[22]对国内外普通小麦、小麦稀有种和小麦近缘属植物等34 571份材料进行赤霉病鉴定,发现我国的望水白和苏麦3号为高抗小麦赤霉病种质资源,且抗性表现稳定;平湖剑子麦、温州红和尚、翻山小麦、苏麦2号和湘麦1号等为中抗小麦赤霉病种质资源。He等[23]发现,中国地方品种火烧百日麦、黄方柱、火烧麦和黄蚕豆等也是小麦赤霉病的重要抗源。在国外赤霉病抗性资源挖掘方面,日本小麦品种Nyubai、Asoza-iraIII和Nobeokabozu,韩国的Chokwang,欧洲的Arina,巴西的Frontana和美国的Ernie等,已被确定为具有较大利用价值的小麦赤霉病抗性种质资源[24]

表1   小麦赤霉病分子标记

Table 1  Molecular markers of Fhb1

标记类型
Marker type
分子标记
Molecular marker
序列
Sequence
退火温度
Annealing temperature (℃)
文献
Reference
STSHis-InDelATGCGTGCGCTGTACTTG
CGTCACAGAGTCCAGTGAAA
55朱展望等[35]
STSTaHRCATTCCTACTAGCCGCCTGGT
ACTGGGGCAAGCAAACATTG
57Su等[36]
KASPFhb1GAAGGTGACCAAGTTCATGCTTTGGGCTCACGTCGTGCAA
GAAGGTCGGAGTCAACGGATTTGTCTGTTTCGCTGGGATG
CTTCCAGTTTCTGCTGCCAT
55Su等[36]

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在小麦赤霉病抗病育种方面,我国利用苏麦3号和望水白等抗源已培育了湘麦10、湘麦11、鄂恩1号及繁5002等一系列衍生品种(系);美国和加拿大培育出Alsen、Glenn、Barlow、Faller、Prosper、SY Ingmar和AACBrandon等20余个抗赤霉病硬红春小麦新品种;巴西培育出Frontana和T. dicoccides等抗小麦赤霉病新品种[25]

3 Fhb1基因定位、克隆及抗性评价

Fhb1基因定位研究方面,Waldron等[26]利用RFLP标记对苏麦3/Stoa重组自交系群体的研究将主效抗性基因QTL-Fhb1定位在3BS上,该位点解释了赤霉病抗性的15.4%。在此基础上,Anderson等[27]对苏麦3/Stoa、苏麦3/Wheaton 2个重组自交系群体的分子标记和接种鉴定,将QTL定位在SSR标记Xgwm493Xgwm533之间,Qfhs.ndsu-3BS标记分别解释了赤霉病抗性的41.6%和24.8%。Zhou等[28]以宁7840为抗源构建小麦遗传群体,将Fhb1基因定位在SSR标记Xgwm389Xbarc147之间,并发现QTL位点可以将赤霉病侵染小穗数比例从66.1%降低到33.5%,显著提高了小麦赤霉病的抗扩展能力,解释了赤霉病抗性的23.8%[29]。Cuthbert等[30]利用STS标记将Qfhs.ndsu-3BS精细定位于XSTS3B-80XSTS3B-120之间约1.27cM区间内,并命名为Fhb1。在此基础上,Liu等[31]利用Fhb1基因附近的DNA标记,构建了一个跨越Fhb1区的小麦BAC文库。从BAC文库序列开发出新的诊断性共显性DNA标记UMN10,使Fhb1基因被缩小到261kb区域。薛树林[32]和姜鸽[33]利用南大2419×望水白的杂交群体将Fhb1基因精细定位在0.2cM区间(标记Xmag8937Xwgrb0011之间)。董晶晶等[34]Fhb1基因定位在物理距离约为143kb区间(X2214X2357之间),并预测该区间有3~29个候选基因。朱展望等[35]研究发现,Fhb1基因区段内PFT-I/His-I为抗病单倍型,His-1基因起始密码子附近752bp的缺失提高了赤霉病抗性,开发了PFT-CAPSHis-InDel作为Fhb1基因的诊断性标记。Su等[36]利用缺失突变体证实富含组氨酸的钙结合蛋白基因(histidine-rich calcium-binding protein,TaHRC)为Fhb1候选基因,开发了STS诊断标记和高通量KASP标记。

Fhb1基因克隆研究方面,Rawat等[37]利用图位克隆的方法克隆了pore-forming toxin-likePFT)基因,通过突变体分析、基因过表达以及基因沉默等研究,认为PFT基因是Fhb1的候选基因,该基因全长3 472bp,含2个外显子,1个内含子,编码嵌合凝集素蛋白,赋予小麦赤霉病抗性。但是,朱展望等[35]对229份国内外小麦品种(系)对PFT基因研究发现,部分高感赤霉病品种中也含有PFT基因;He等[38]也发现苏麦3的PFT基因在开花初期高表达,在禾谷镰刀菌处理后表达上调,推测不同基因型小麦的赤霉病抗性受PFT基因的部分调控。关于PFT基因与赤霉病抗性的关系,以及PFTFhb1的候选基因存在争议。最近,Su等[39]和Li等[40]发现并克隆了1个富含组氨酸的钙结合蛋白基因(TaHRCHis),该基因3’端752bp的缺失均会引起小麦赤霉病抗性增强,可解释抗性的20%~60%;但是,Su等[39]认为TaHRC编码1个易感赤霉病的核蛋白,由于起始密码子的缺失导致TaHRC无法表达,从而产生赤霉病抗性;Li等[40]认为His-R的3’端缺失导致赤霉病抗性单倍型产生,通过转化小麦和拟南芥证实,His-R单倍型增强了禾谷镰刀菌的抗性,其抗扩展能力提高了76%。他们对Fhb1基因抗性利用价值评价较为一致。Li等[41]分析了矮秆雄性不育系周麦16号BC2群体的农艺性状和赤霉病抗性鉴定结果,发现在不降低产量潜力的前提下,通过将Fhb1抗性等位基因导入赤霉病感病品种来提高赤霉病抗性是可行的。

图1

图1   TaHRC(His)基因图谱及分子结构[40]

Fig.1   Gene map and molecular structure of TaHRC (His) [40]


4 Fhb1基因在小麦抗赤霉病育种中的利用模式和应用价值

Fhb1基因作为赤霉病抗性主效基因,现已被广泛用于世界各地的小麦抗赤霉病育种之中。目前,Fhb1基因利用模式主要有2种,一是通过矮败小麦改良当地小麦赤霉病抗性,适于批量材料的高效导入,有利于选择出具有轮回亲本优良性状的抗赤霉病新材料。张宏军等[42]Fhb1基因导入高感赤霉病材料周麦16矮败小麦近等基因系,通过单花滴注接种和田间病圃自然发病进行病害鉴定,发现携带Fhb1基因家系的后代赤霉病抗性得到了显著提高,比轮回亲本周麦16的平均病小穗数和病情指数分别低8.1和28.4,有效提高了黄淮冬麦区小麦赤霉病抗性水平;二是利用分子标记辅助选择和选择性回交定向改良赤霉病抗性,该方法目的性强,可以在保留受体亲本的优良性状的同时提高小麦赤霉病抗性。许峰等[43]将苏麦3号的Fhb1基因导入感病品种矮抗58中,采用单花滴注法进行抗性鉴定,发现携带Fhb1基因的株系表现出显著的抗赤霉病扩展能力。周淼平等[44]将苏麦3号抗病主效基因Fhb1导入黄淮麦区小麦品种济麦22中,筛选出农艺性状优异、赤霉病抗性水平较高的小麦材料。Bernardo等[45]利用Fhb1基因分子标记筛选了Clark/Ning7840的BC7F2单株,证实Fhb1基因既可提高赤霉病抗性,又可降低脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,DON)含量,可作为当地小麦抗赤霉病育种的有效抗源。Pumphrey等[46]以苏麦3号为抗源构建了含Fhb1基因家系的小麦品种(系),其赤霉病抗性得到了显著提高,病情指数平均降低了23%,病粒率平均降低了27%,Fhb1基因将美国小麦赤霉病病害发生率平均降低20%~25%[47]。黑龙江省农业科学院作物资源研究所2018年利用诊断性分子标记、赤霉病表型鉴定将Fhb1基因导入当地主栽小麦品种和苗头品系中,为当地小麦抗赤霉病育种提供了抗赤霉病稳定遗传材料。

培育与推广高抗赤霉病小麦新品种是防治赤霉病最经济和最有效的途径,但赤霉病抗性遗传基础复杂,抗病育种难度较大。在培育中感或中抗赤霉病的小麦品种基础上,结合化学防治可获得较好的防治效果。首先,培育小麦赤霉病抗性品种,需要提高当地小麦整体赤霉病抗性水平。Fhb1基因抗赤霉病作用明显,抗扩展能力较强,现已开发出的诊断性分子标记相对准确可靠。利用分子标记辅助回交或滚动式回交等方法进行Fhb1基因的定向转移,或者结合矮败小麦轮回选择及赤霉病表型精准鉴定等方法将Fhb1基因高效导入当地种质资源中,可快速提升当地小麦育种材料的赤霉病抗性水平;其次,小麦本身赤霉病抗性水平需要进一步提升。赤霉病抗性基因Fhb2Fhb4Fhb5等抗性效应也在研究中得以证实,在Fhb1基因基础上,将2个或多个赤霉病抗性基因进行积聚,可进一步提高小麦赤霉病抗性水平,从而为培育赤霉病高抗小麦品种奠定基础。

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