18份国外棉花种质黄萎病抗性鉴定与筛选

马清倩,杨红兰,魏 鑫,张大伟, Alisher A. Abdullaev,程利华,张道远

(1.新疆农业大学农学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆抗逆植物基因资源保育与利用重点实验室,中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐 830011;3.新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091;4. 乌兹别克斯坦创新发展部先进技术中心 , 乌兹别克斯坦塔什干 100174)

0 引 言

【研究意义】棉花黄萎病是制约棉花生产的主要因素之一[1]。棉花黄萎病是由大丽轮枝菌(Verticilliumdahliae)病原菌引起、发生的,可通过病残体、种子、水流和土壤传播,其特点是分布广、危害重、寄主范围广、传播途径多、植物体外存活时间长;可以在棉花的各个生育期入侵发病,发病严重时可造成绝产[2,3]。随着连作时间增长及近年来新疆从内地引种较多,极端气候增多等因素对棉花黄萎病产生很大影响,病菌的致病性明显增强[4,5]。且目前尚无有效的药物来防治[6]。棉花品种(系)黄萎病抗病性鉴定是棉花抗病育种的基础[7,8]。选育和利用抗病品种是控制棉花黄萎病最经济有效的手段[9,10]。抗性种质资源的鉴定与筛选同育种研究一样,是一项连续性很强的研究。随着时间的推移,黄萎病病菌会发生不同程度的变异且可能具有地域性[11,12]。针对目前棉花黄萎病抗性种质远远不能满足生产需要的问题,不断进行抗性品种(系)的筛选和鉴定显得尤为重要。【前人研究进展】从棉花的早熟性[13,14]、遗传多样性[15～17]和抗逆性[18,19]等不同角度对棉花种质资源做了研究[20,21]。针对棉花黄萎病抗性基因资源挖掘利用也取得新的进展,包括从海岛棉中鉴定到1个参与race 2生理小种大丽轮枝菌V991的抗病基因GbaNA1,研究其抗病遗传机制发现主栽陆地棉品种缺失该基因功能[22];利用蛋白提纯、cDNA文库筛选等方法从天麻中发现4个抗真菌蛋白基因,其中一个新的成员GAFP4转入到2个陆地棉栽培品种中,显著提高受体棉黄萎病抗性,且GAFP4转基因棉花在纤维产量上也有20.7%～51.7%的增加[23];鉴定了大丽轮枝菌侵染结构-附着枝-的存在,发现少量大丽轮枝菌在紧密接触到宿主根表皮细胞时分化形成顶端膨大的菌丝分枝(即附着枝),并发育出侵染钉;依赖于四跨膜蛋白tetraspanin VdPls1的NADPH氧化酶VdNoxB所产生活性氧是侵染结构发育和穿透植物根所必需的。证明了附着枝特异的依赖于VdNoxB/VdPls1的活性氧-钙离子信号途径是调控大丽轮枝菌侵染结构发育的重要途径[24]。利用寄主诱导基因沉默(HIGS)技术,证明了棉花产生的小RNA能够进入菌丝体诱导目标基因沉默;利用纯和转基因株系通过新疆实地病圃抗病检测,证明了HIGS在棉花抗黄萎病上应用的可行和有效性[25]。黄萎病菌株变异快,具有地域性,抗病机理和转基因技术的研究需要基于性状优良的亲本。【本研究切入点】黄萎病是当前危害棉花的主要、重要病害,棉花黄萎病抗性种质资源较狭窄。需要系统研究鉴定棉花种质资源以筛选黄萎病抗性种质。【拟解决的关键问题】从国外引进18份棉花品种(系),并进行黄萎病抗性和农艺性状鉴定与筛选,分析抗黄萎病棉花育种进程,为促进抗黄萎病新品种在生产上的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

18份引进国外棉花种质资源由中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室提供。该批种质资源引进乌兹别克斯坦抗黄萎病棉花资源,其中有部分在中棉所种质资源库编目入库,评价在新疆本土资源抗病指数。表1

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

选取试验地为新疆农业科学院玛纳斯(N44°18′,E86° 13′)棉花育种基地专用病圃田,病圃田于2010年严格规范接种北疆黄萎病致病力较强的菌种,近年通过病圃鉴定并审定通过新陆早57号、新陆早73号等北疆早熟棉品种。该地区昼夜温差大,最热月(7月)平均气温25.6℃,极端高温37℃,极端低温14℃,日温差10～18℃,年均日照时数2 700～ 2 800 h。年均气温7.2℃,年均降水量173.3 mm年均蒸发量2 141 mm,全年无霜期165～172 d,属于中温带大陆性干旱气候[26]。4月中旬在黄萎病病圃播种。试验田土地为沙壤土,土壤肥力中等,滴灌设施条件完善,种植模式1膜4行。每个品种(系)2行区,行长3 m,宽0.7 m,株距10 cm,采用随机区组排列,3次重复,田间管理全生育期滴灌,随水施肥,全生育期水量330 m3/667m2,尿素25 kg/667m2,磷酸二氢钾15 kg/667m2。全程缩节胺化控6次,总计用量27 g/667m2。7月6日人工打顶。

表1 供试18份国外棉花种质资源材料Table 1 Information of eighteen foreign cotton germplasm

1.2.2 测定指标

分别于2018、2019年8月15日和10月15日进行黄萎病病情调查。每重复随机调查连续10株发病情况。8月采用叶片法调查发病情况,采用国内黄萎病统一分级标准[27]:0级:健株,叶片无症状。1级:有25%及以下的叶片表现症状,即叶片出现叶肉变黄或呈现不规则形的黄色病斑;2级:26%～50%的叶片表现病状,病斑颜色大部分变为黄色或黄褐色,叶片边缘略有卷枯现象;3级:51%～75%的叶片表现病状,少数病叶凋落;4级:76%以上的叶片表现病状,多为褐色掌状枯斑,严重时叶片大量脱落甚至棉株枯死。

2018、2019年10月利用剖秆法调查发病情况。剖秆法调查分级标准为[28]:0级:木质部洁白无病变;1级:木质部有少数变色条纹,变色面积占剖面的25%以下;2级:木质部有多数变色条纹,变色面积占剖面的26%～50%;3级:木质部变色面积占剖面的51%～75%;4级:木质部变色面积占剖面的76%以上。在常年种植棉花的地区,黄萎病的危害逐年加重[29],黄萎病病情指数分级标准采用地方标准[28]:免疫(I)、高抗(HR)、抗病(R)、耐病(T)、感病(S)、高感(HS)分别为0．00、0.10～20.00、20.10～30.00、30.10～50.00、50.10～80.00、80.10～100.00。

农艺性状及生物学性状的观察与测定参照《农作物种质资源鉴定评价技术规范棉花》(NY/T 2323―2013)进行[30]。每重复随机选内外行连续5株,共10株,打顶后2～3周调查株高、果枝始节、有效果枝;吐絮期调查单株结铃数,随后取中上部正常吐絮棉铃50个,晾晒后测定其单铃重、衣分等指标。称取15 g皮棉送至农业农村部棉花品质监督检验测试中心(安阳)检测上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度指数、伸长率。纤维品质根据NY/T1426-2007评价方法判断[31]。

病情指数=〔∑各级病株数×相应病级/总株数×4〕×100%。

1.3 数据处理

供试种质资源的农艺性状、产量构成因素、发病率、抗病性、籽棉产量及纤维品质等性状的原始数据经Excel 2010进行统计整理。并利用SPSS 19.0软件对各性状数据进行单因素方差分析,相关性分析和聚类分析等。

2 结果与分析

2.1 供试种质资源主要农艺性状变化

研究表明,引进的18份国外种质资源生育期差异较小,极差为14 d,18份资源材料属于早中熟性类型;株高平均值为53.61 cm,均为中等株高种质资源;果枝始节在4.44～5.22,差异不显著;11号有效果枝数最多,显著高于其他17份资源,10号有效果枝数最少,其余资源材料有效果枝数均在4.00～5.89。表2

表2 18份国外资源主要农艺性状比较Table 2 Comparison of main agronomic characters of 18 foreign cotton germplasm resources

2.2 供试种质资源产量构成因素变化

研究表明,18份国外种质资源的单株结铃数最多的是11号,单株结铃数为8.11,显著高于其他13份材料;最少的是10号,单株结铃数为3.55,低于其他17份材料;其余的单株结铃数在4.33～7.33。单铃重最高的是3号,铃重为7.93 g,显著高于其他14份资源;最低的是17号单铃重为4.39 g,显著低于其他12份资源;其余单铃重在4.43～7.41 g。衣分最高的是2号,衣分为43.30%,显著高于其他17份种质资源;其次为15号,衣分为40.4%,与其他13份达到显著差异水平;6、13号材料衣分显著低于其他16份材料。表3

表3 18份国外种质资源产量 构成因素比较Table 3 Comparison of yield components of 18 foreign cotton germplasm resources

2.3 供试种质资源黄萎病抗性及产量性状表现

研究表明,18份国外种质资源发病率最低的是11号,发病率为41.5%;发病率为100%的有8份材料。病情指数分布范围在0.10～20.00的高抗材料有1份,为4号,其病情指数为18.75;病指在20.10～30.00的抗病材料有5份,占总资源数的27.77%;病指在30.10～50.00的耐病材料有8份,占总资源数的44.44%;病指在50.10～80.00的感病材料有4份,占总资源数的22.22%;未发现有免疫和高感的材料。籽棉产量最高的是3号,籽棉产量为9 516.30 kg/hm2;籽棉产量最低的是13号,籽棉产量为3 350.70 kg/hm2。纤维品质最好的有3份,分别为1、9和11号,上半部平均长度都在中长绒到长绒的范围,整齐度指数在较高到高的范围,断裂比强度在较高到超高的范围,马克隆值都在A区。表4

2.4 抗黄萎病能力与农艺性状、籽棉产量及产量构成因素的相关性

研究表明,黄萎病病情指数与株高、果枝始节、单株结铃数、单铃重、衣分、籽棉产量、上半部平均长度、断裂比强度、整齐度指数、伸长率呈负相关,与有效果枝、马克隆值呈正相关,与株高、籽棉产量呈极显著负相关(P<0.01),与上半部平均长度呈显著负相关(P<0.05);株高与果枝始节、有效果枝、单株结铃数、单铃重、衣分、籽棉产量、上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值呈正相关,与籽棉产量呈极显著正相关(P<0.01),与单铃重呈显著正相关(P<0.05);果枝始节与有效果枝、单株结铃数、单铃重、籽棉产量、上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度指数呈正相关,与伸长率、衣分呈负相关,与单铃重、籽棉产量达到极显著水平(P<0.01),与单株结铃数和上半部平均长度达到显著性水平(P<0.05);有效果枝与单株结铃数呈极显著正相关(P<0.01),与上半部平均长度、断裂比强度呈显著正相关(P<0.05);单株结铃数与上半部平均长度和断裂比强度呈极显著正相关(P<0.01);单铃重与籽棉产量呈极显著正相关(P<0.01),与整齐度指数呈显著正相关(P<0.05);籽棉产量与上半部平均长度呈显著正相关(P<0.05);上半部平均长度与断裂比强度呈极显著正相关(P<0.01),与整齐度指数呈显著正相关(P<0.05);断裂比强度与整齐度指数呈显著正相关(P<0.05)。表5

表4 各种质资源主要纤维品质性状、籽棉产量与黄萎病抗性Table 4 Table of main fiber quality characters, seed cotton yield and Verticillium wiltresistance of 18 foreign cotton germplasm resources

表5 18份国外种质资源的病情指数与农艺性状、纤维品质的相关性Table 5 Correlation between disease index, agronomic traits and fiber quality of 18 foreign germplasm resources

2.5 供试种质资源病情指数聚类

研究表明,以欧式距离为遗传距离,在遗传距离为5时,将18份种质材料分为3个类群。类群Ⅰ包括6份材料,为黄萎病抗病类群;类群Ⅱ包括8份材料,为黄萎病耐病类群;类群Ⅲ包括4份材料,为黄萎病感病类群。图1

图1 18份国外种质资源病情指数聚类

3 讨 论

对18份国外种质资源进行抗性鉴定及农艺性状等的分析,明确各种质资源的性状特点,为棉花育种及资源的有效利用提供参考[32]。国外种质资源的引进和再创新利用是解决新疆棉花种质资源遗传基础狭窄和新品种选育的重要途径[33]。针对320份陆地棉种质资源黄萎病抗性鉴定,现代品种的平均病情指数为43.75整体抗性都要好于中期、早期品种(平均病情指数分为48.60和51.55)[21];对318份陆地棉种质经病圃鉴定病情指数分布范围为 10.1～ 76.0,平均值为 37.0[34];对107份种质3年连续混生病圃鉴定,病情指数平均最低为16.81,最高为71.50,变异系数达26.67%[35]。鉴定结果表明,18份种质资源各有表现突出的性状,可在育种上利用。研究中种质资源棉花生育期属于早中熟类型,株高都在中等高度,可为培育适合新疆早熟棉机械化耕作采收的棉花品种提供较好的亲本。

18份国外种质资源中病情指数最低的是4号,病情指数为18.75;病情指数最高的为58.96;材料之间抗性差异比较大,并且抗病材料较少,多数为耐病材料。4号材料虽然抗性和产量非常好,但纤维品质一般,特别是马克隆值比较差,可作为提高籽棉产量、高抗黄萎病备选亲本。籽棉产量值得关注的是3、5、15号3份材料,抗性基本在耐病范围,但籽棉产量较高,可作为产量改良备选亲本。纤维上半部平均长度、整齐度指数随着发病级别的增加而逐渐降低,对伸长率影响不大,断裂比强度则因品种而有所不同。18份国外种质资源纤维品质整体较好。抗黄萎病、高产量、长绒、高整齐度指数、高断裂比强度的种植资源可作为抗黄萎病高产育种及纤维品质改良的备选亲本。

试验结果表明,病情指数与株高、果枝始节、单株结铃数、单铃重、衣分、籽棉产量、纤维上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度、伸长率呈负相关。黄萎病对籽棉产量,纤维品质都有很大的影响,因此选择抗黄萎病材料,或培育抗抗病品种仍然是阻止黄萎病大发生的有效措施。

4 结 论

18份国外种质资源属于中早熟性类型,株高均属于中等株高;抗病材料6份,分别为2、4、6、9、11、16号;耐病材料8份;感病材料4份;籽棉产量较高材料5份;纤维品质较优材料3份,分别为1、9、11号,表现为长绒、高整齐度指数、高断裂比强度,马克隆值优。筛选出2份抗病高产优质种质资源分别为9号、11号。