小麦赤霉病抗性研究进展

2022-11-19 10:27芜湖职业技术学院许凌凌
河北农机 2022年8期
关键词:组学赤霉病抗性

芜湖职业技术学院 许凌凌

小麦赤霉病是小麦最重要的穗部病害,主要是由禾谷镰刀菌引起,会使小麦籽粒干枯,皱缩和粒重下降,从而导致小麦产量下降,每年都给小麦生产带来较大的损失。目前生产上主要利用抗病品种来防治它。随着生物技术水平的提高,组学被应用到了小麦赤霉病研究中,发掘了很多参与小麦赤霉病抗性的相关基因。因此,了解小麦赤霉病抗性研究的最新成果,可以为实现小麦抗赤霉病分子育种奠定基础。

1 赤霉病抗性的组学研究

随着生物技术的发展,利用组学技术解析小麦抗赤霉病的分子机制已成为研究热点。

1.1 转录组学

目前,研究者利用转录组学发掘了许多小麦赤霉病抗性相关基因,这些基因在小麦应答赤霉病菌过程中起重要作用。对小麦抗感品种接种赤霉病菌,利用转录组数据分析发现了46 个在接种后72 小时内抗感品种间差异表达的基因,其中5 个基因在抗病品种中上调表达,可能在赤霉病抗性中起重要作用。构建小麦接种赤霉病菌24 小时后的cDNA 文库,检测到80 个诱导表达基因,发现其可能在木质素形成、植物抗毒素产生等过程中起重要作用。通过分析接种后72 小时的小麦赤霉病抗感近等基因系的转录组数据,发现在受到赤霉病菌侵染后,小麦糖代谢相关基因被激活,光合作用受到抑制。对抗感品种接种赤霉病菌后24 小时和48小时的转录组RNA 测序分析,发现抗感品种和水对照相比较均上调表达的基因250 个,主要涉及茉莉酸和乙烯代谢通路。

1.2 蛋白组学

利用蛋白组学分析小麦受赤霉病菌侵染后蛋白质差异表达情况对赤霉病抗性研究也很有成效。利用蛋白质双向电泳技术分析接种赤霉病菌后小麦蛋白质的变化,检测到18 个差异表达蛋白,其中一些蛋白质具有抗氧化功能。对接种赤霉病菌的抗感近等基因系分析,发现有10 种蛋白质受到诱导表达,推测这些蛋白质可能参与加固小麦细胞壁的过程。用赤霉病菌接种小麦,病程相关蛋白的丰度也会发生明显变化。

1.3 代谢组学

随着质谱技术的发展,以其为技术平台的代谢组学在小麦赤霉病抗性研究中逐渐增多。对接种赤霉病菌后不同时间段的抗感近等基因系小麦颖壳代谢图谱进行分析,共检测到170 个差异代谢物,主要参与茉莉酸、乙烯等的合成途径。用赤霉病菌接种小麦抗感品种,通过代谢组学检测到16 个抗病代谢物,确定其中一些为信号分子。用混合质谱对小麦抗感近等基因系比较分析,发现苯丙烷路径中产生的抗性相关代谢物得到积累,抗病显著高于感病的水平,这些代谢物通过提高小麦细胞壁厚度降低病原菌的传播[1]。植物对赤霉病菌胁迫响应的机制是复杂的,只有把小麦赤霉病抗性与组学研究结合起来,才能更好地揭示小麦对赤霉病菌胁迫的响应和抗性机制。

2 赤霉病的抗性类型和鉴定接种方法

2.1 抗性类型

小麦赤霉病抗性具有多种类型,研究热点主要集中在抗赤霉病初侵染(类型I)和抗赤霉病扩展(类型II)两种类型。类型I 抗性是小麦对病原菌初侵染的抗性,类型II 抗性反映小麦抵御赤霉病菌扩展的能力。研究中,通常采用不同的接种方法区分类型I 和类型II抗性。类型I 抗性鉴定是将孢子悬浮液喷洒于处于扬花期的小穗上,间隔数日后统计整体感病的小穗数和穗数。类型II 抗性鉴定是将接种孢子液注入麦穗中间的小花中,一段时期后统计感病的小穗数。由于类型II抗性比类型I 抗性更稳定,更容易检测,类型II 也因此是研究最为广泛的抗性类型。

2.2 鉴定接种方法

无论何种类型抗性,对于赤霉病的抗性评价、基因的定位及抗病品种培育而言准确的鉴定方法都非常关键。

2.2.1 单花滴注接种鉴定法

在小麦扬花初期对穗中部的一个小花注射孢子液,并标记接种时间,在接种21 天,统计病小穗数、病小穗率或反应级,进行抗病性评价。

2.2.2 穗轴接种鉴定法

在小麦抽穗后,将接种孢子液注射到穗基部节间内部,根据第1 个病小穗出现的时间以及接种后25 天的病小穗率来综合评价材料的扩展抗性。

2.2.3 重病区自然鉴定法

在赤霉病发病严重地区种植鉴定材料,完全依靠自然发病,将发病结果与人工接种鉴定相结合用于评价小麦品种的赤霉病抗性。

2.2.4 孢子喷雾接种鉴定法

模拟自然条件下病原菌对小麦的侵染能力,能同时反映小麦对赤霉病的抗侵染和抗扩展能力。以病穗率、病情指数、相对抗病性和相对病情指数作为衡量标准。可根据不同的抗性类型选择不同的鉴定接种方法。

3 赤霉病抗性机制

小麦抗赤霉病机制早期是从形态结构、生理生化和分子基础等层次来研究,近期主要在小麦器官、组织、细胞水平上进行探讨,取得了一定的进展,可以部分解释抗赤霉病的机制,并用于抗赤霉病育种工作中。

3.1 细胞壁防卫

在小麦细胞壁防卫与赤霉病抗性关系上,研究者做了大量工作。利用绿色荧光蛋白标记的禾谷镰刀菌接种抗性不同的小麦品种,在接种后2 天病原菌就能通过感病品种的小穗基部组织到达小麦穗轴并延伸侵入邻近小穗。但在抗病品种体内,病原菌接种后6 天仍然终止于小穗基部的致密组织处,说明小麦的组织结构如细胞壁的防卫作用是小麦抵挡赤霉病菌入侵的第一道屏障。纤维素是植物细胞壁中最坚固的部分,由木聚糖、阿拉伯木聚糖等单糖构成坚硬的网络。研究表明,木聚糖骨架上阿拉伯糖的糖基化在作物抗真菌病中具有重要作用。禾谷类作物细胞壁中木聚糖骨架上阿拉伯糖的糖基化程度与细胞壁强度和抗病性呈正相关。小麦赤霉病抗性品系穗部细胞壁阿拉伯糖基化程度显著高于感病品系,果胶质甲基化受病原菌强烈诱导。多酚氧化酶在病原菌侵染小麦过程中可以通过催化木质素及醌类化合物的合成起抵御作用,小麦抗病品种在接种赤霉病菌后48 小时,小穗中多酚氧化酶活性急剧升高,醌类物质积累,导致接种部位组织的死亡,使小麦免受外来病原物的胁迫。

3.2 识别应答反应

病原菌侵染植物时,植物是以依赖每个细胞的天然免疫系统以及从感染部位产生的系统信号抵御病原菌的侵袭。研究发现植物主要有两种保护机制,第一类是植物通过细胞表面的模式识别受体识别病原菌相关分子模式,引发免疫反应。第二类是植物进化出一些抗性蛋白以识别由病原菌分泌到宿主细胞内的毒性效应,从而引发效应子激发免疫,引发针对病原菌的特异而强烈的防卫反应来建立植物的抗性。目前已发现多个植物模式识别受体,其中研究最深入的有BR2 相关激酶(BRⅡ-associated kinase1,BAK1),BAK1 是多功能的类受体激酶,作为信号的调控子,调控免疫信号的放大、终止和转导[2]。抗菌肽是一类小分子多肽,经诱导产生,主要通过形成离子通道直接破坏细胞膜来杀灭病原真菌。植物抗菌肽能抑制病原菌的生长繁殖,因此,将抗菌蛋白类基因转入小麦也能提高小麦对赤霉病等真菌性病害的抗性。为了抵御入侵,植物在识别病原菌后,必须及时调控转录因子的表达以激活大量防卫相关基因,发现小麦品种抗感近等基因系接种赤霉病菌后,与植物抗病反应紧密相关的3 类转录因子发生明显上调,表明其在对赤霉病菌的防卫反应中起到了十分重要的作用。

3.3 信号转导

细胞内的信号分子负责把信息传递到胞内特定部位,产生特定的细胞效应,称为第二信使,植物细胞第二信使钙离子是磷脂酸合成途径的关键酶,钙离子信号通路是植物中重要的信号转导通路,外界环境中的多种刺激因素都会首先引起植物细胞内钙离子浓度的变化,以钙离子和钙调蛋白为核心的钙信使系统在植物对外界信号响应中起重要作用。第一个植物钙结合蛋白激酶于1992 年在苹果中分离得到,随后在玉米、水稻作物中也分离出钙结合激酶,它们在结构上为长度和序列信息不保守的N 端、蛋白激酶催化结构域、钙调蛋白结合结构域和C 端结构域。利用小麦培养细胞研究真菌激发子诱导的防卫相关基因表达发现,钙结合激酶参与了小麦对病原菌的防卫反应[3]。

4 抗赤霉病育种

我国自20 世纪40 年代初开始小麦赤霉病抗性改良,至今,已筛选得到数百份小麦赤霉病中抗以上的品种。目前,抗赤霉病育种主要有常规育种、利用近缘种质、细胞工程育种和转基因育种等方式。

4.1 常规育种

由于我国许多地区都有赤霉病发生,存在自然选择压,通过系统选育长期对病害有适应性的品种,筛选出了不少抗赤霉病的地方品种,如望水白、宁麦13 等。另外,利用赤霉病感病或中感品种为亲本杂交,在后代中选出赤霉病抗性超亲类型,培育抗病品种,在抗赤霉病品种改良中已取得很好的效果,如苏麦3 号、镇7495等都是通过这种方法杂交培育的。苏麦3 号高抗赤霉病,抗性遗传传递力强,配合力好,是最好的抗源之一,作为赤霉病抗源得到广泛利用,在重病区和一般肥力区有不错的利用价值。但这种单交方法往往很难将所需多种性状综合起来,所以还需要用复交或阶梯杂交方法,在边选择边杂交的过程中,逐步加入新的亲本以改良不够理想的性状。如以含有抗白粉病基因的品种红蜷芒为父本,以中抗赤霉病、弱筋小麦宁麦9 号为母本杂交,杂交后代选择抗病单株再与宁麦9 号连续回交5 次,育成中抗赤霉病、抗白粉病的弱筋小麦品种扬麦21。阶梯杂交是在单交或复交后发现仍然存在某些缺点而继续选用相应的亲本进行互补杂交的一种方式,扬麦5 号和扬麦158 就是通过阶梯杂交方式选育而成的。扬麦5 号具有高产稳产、适应性广、综合丰产性状优良等特点,中抗赤霉病、白粉病和条锈病。后育成的扬麦158 属春性中熟类型,幼苗直立,成穗率高,抗性优于扬麦5 号,达中抗以上水平。抗倒性好,冻害轻,受冻害后的恢复力强,耐湿,灌浆速度快,耐高温逼熟,熟相好。

4.2 近缘种质的利用

通过普通小麦和小麦近缘种进行远缘杂交,创制双二倍体、异附加系、易位系等,已将部分小麦近缘种的抗赤霉病基因导入普通小麦。如小麦遗传学家创制了一系列硬粒小麦品种与野生二粒小麦品系的二体异代换系,在大田和温室对材料进行了抗赤霉病的鉴定,发现代换系的赤霉病抗性好于双亲,因此将抗病基因导入普通小麦中。中国春-大赖草易位系中也有很多与它们的亲本中国春相比具有更高的赤霉病抗性,有一些抗性水平与苏麦3 号相当。偃麦草属中的许多种质资源都具有抗赤霉病扩展特性,对培育的普通小麦中国春-长穗偃麦草的双二倍体以及一整套的二体附加系进行抗赤霉病鉴定,发现长穗偃麦草1Ee 染色体上携带赤霉病主效抗性基因,染色体上可能存在微效抗性基因。普通小麦和天蓝偃麦草的双二倍体,表现出对赤霉病的较强抗性,硬粒小麦和脆轴偃麦草的双二倍体,可以显著降低赤霉病侵染率。普通小麦和彭梯卡偃麦草的双二倍体,具有抗赤霉病扩展性。将外源染色体导入小麦进行抗性育种,也是提高小麦抗赤霉病的有效方法。鹅观草属是小麦族中抗赤霉病较好、抗源最多的一个属,利用普通小麦中国春与鹅观草正反交,F1代对赤霉病表现高抗。利用小麦-黑麦单体附加系选育出抗性稳定的小麦品系R111。将长穗偃麦草与小麦杂交育成早熟小偃4 号,对赤霉病具有较好的抗性。导入外源染色体,尽管提高了小麦的赤霉病抗性,但大多农艺性状较差,在小麦抗赤霉病育种工作中很难被直接利用。

4.3 细胞工程和转基因育种

在植物组织培养再生植株中出现的变异为体外细胞无性系变异,体细胞无性系变异是植物组织培养中的普遍现象,实验证明绝大多数变异可以遗传,因而可在育种中加以利用。如利用宁麦3 号、扬麦5 号等农艺性状优良且丰产稳产品种的幼胚,经脱分化形成愈伤组织再脱分化成苗,经过选择和鉴定,育成了一批抗赤霉病且农艺性状优良的新品种。近年,研究者主要利用基因枪将抗赤霉病相关基因导入小麦,提高转基因植株的赤霉病抗性。基因枪法是将外源DNA 包被在微米级惰性粒子表面,在高压气流的作用下,直接导入受体细胞,整合到植物染色体上,从而实现对受体细胞的转化。将NPR1 基因导入小麦品种,可提高小麦的抗赤霉病扩展能力。如将NPR1 基因转入小麦品种扬麦11中,获得的转基因植株对赤霉病具有明显的穗期抗扩展能力。将具有降解赤霉病毒素功能的乙酰基转移酶基因FsTRI101 转化到小麦中,可提高小麦赤霉病的抗性。

2020 年9 月15 日,小麦赤霉病被中国农业农村部列入《一类农作物病虫害名录》,解决小麦赤霉病病害已经成为一个刻不容缓的问题。因此本文从多方面介绍了小麦赤霉病抗性研究的进展,以期为小麦赤霉病的进一步研究提供理论参考。

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