原创解读| Fhb1与Fhb7聚合显著提高小麦II型赤霉病抗性

学术 2024-12-26 00:02 海南

2024年12月16日，Czech Journal of Genetics and Plant Breeding杂志在线发表了美国加州大学戴维斯分校Jan Dvorak教授联合美国明尼苏达大学和加拿大农业及农业食品部George Fedak等合作的题为“High levels of type II Fusarium head blight resistance conferred in wheat by combining wheat gene Fhb1 with Lophopyrum elongatum gene Fhb7^The2”的研究论文。该研究通过聚合抗赤霉病基因Fhb1和Fhb7，赋予小麦更高水平的II型赤霉病抗性。

研究背景：

小麦赤霉病(Fusarium head blight，FHB)是由禾谷镰刀菌引起的真菌病害，严重影响小麦的产量与品质，培育抗病品种是应对该病害的关键举措。Fhb1来自于苏麦3号等，广泛应用于小麦育种改良，Fhb7是源于长穗偃麦草7E染色体长臂的主效优异抗病基因，其在二倍体长穗偃麦草中的等位基因被命名为Fhb7^The2。为了探究Fhb1与Fhb7^The2聚合后能否优于单基因的赤霉病抗性，该研究以含有Fhb7^The2的渐渗系IL45497分别和携带Fhb1的材料Rollag和MN-Washburn构建杂交组合，回交后获得Rollag-DA和MN-Washburn-DTA两个品系，在这两个品系中，Fhb1和Fhb7^The2基因均为纯合，经过基因检测和染色体分析等方法验证了其稳定性和基因组成。在温室条件下，对上述品系以及对照品种进行了多次赤霉病抗性评估试验，结果显示Rollag-DA和MN-Washburn-DTA的病小穗率显著低于单基因品系，表明Fhb1和Fhb7^The2聚合后显著提高了小麦赤霉病抗性，该研究为小麦抗赤霉病育种提供了新的思路。

研究结果：

1. Fhb7^The2基因特异性引物的开发

该研究在Fhb7基因序列上开发了一个新的标记UCD-Fhb7-3F3R，其在DS系7E(7A)、7E(7B)和7E(7D)中均能扩增出333 bp的产物，但在CS、Rollag(Fhb1+)和MN-Washburn(Fhb1+)中无扩增产物。在IL45497×MN-Washburn回交后代的检测中，该引物检测结果与细胞学观察到的染色体情况相符，证实其可特异性的检测7EL染色体上的Fhb7^The2基因(图1)。

图1.使用UCD-Fhb7-3F3R引物扩增Fhb7^The2

2. Fhb1与Fhb7^The2的基因聚合及检测

通过IL45497(Fhb7^The2)分别与Rollag(Fhb1)和MN-Washburn(Fhb1)杂交的F₁代根尖染色体数目符合预期的44条，但回交后代在减数分裂中期I呈现出复杂的染色体配对行为。通过多次回交和自交，成功获得了Rollag-DA和MN-Washburn-DTA两个品系。Rollag-DA含有一对2ES-7EL染色体，MN-Washburn-DTA含有一对7EL端着丝粒染色体。对这些品系后代的染色体分析表明，其染色体状态相对稳定(图2)。对Rollag-DA和MN-Washburn-DTA品系中Fhb1和Fhb7^The2基因的检测结果显示，两个品系中Fhb1与Fhb7^The2基因均为纯合，这为后续研究基因聚合效应提供了稳定的遗传材料。

图2. Rollag - DA和MN - Washburn - DTA品系的创制与特征

表1. MN - Washburn - DTA的两个家系和Rollag - DA的一个家系中的染色体数目

3. Fhb1与Fhb7^The2聚合系赤霉病抗性鉴定

在2022年春秋季于美国明尼苏达大学进行的温室试验中，对Rollag-DA、MN-Washburn-DTA和亲本品种(Rollag、MN-Washburn)以及对照品种进行了单花滴注法赤霉病抗性评估。结果显示，Rollag-DA和MN-Washburn-DTA(聚合Fhb1和Fhb7^The2)的病小穗率显著低于仅含有Fhb1(Rollag和MN-Washburn)或仅含有Fhb7^The2(DA 7E)的材料。表明两个基因聚合后显著提高了小麦对赤霉病的抗性(表2)。

表2. 含有Fhb1基因、Fhb7^The2基因、Fhb1与Fhb7^The2基因聚合的病小穗率统计

通过比例优势模型分析，进一步明确了基因组合对感染率的影响。模型结果显示Rollag-DA和MN-Washburn-DTA联合的感染率显著低于亲本品种(仅携带Fhb1或Fhb7^The2)，Fhb1和Fhb7^The2基因聚合后显著提升了小麦对赤霉病的抗性。

总结与讨论：

该研究通过将含有Fhb7^The2的渐渗系IL45497与携带Fhb1的Rollag和MN-Washburn杂交和回交，获得Rollag-DA和MN-Washburn-DTA两个聚合了Fhb1和Fhb7^The2基因的新品系。赤霉病抗性评估试验表明，两个品系的赤霉病病小穗率显著低于单基因品系，比例优势模型分析也证实了基因聚合后小麦对赤霉病的抗性显著增强。该研究为小麦抗赤霉病研究提供了新的思路，即在单一抗病基因难以取得抗性突破的情况下，整合不同品种来源的抗病基因，通过基因聚合累加的方式，为小麦抗赤霉病研究带来新的契机。

原文链接：https://doi.org/10.17221/104/2024-CJGPB

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