小麦抗菲利普孢囊线虫新基因Cre9

十多年前的2008年麦熟前，偶然接触了小麦孢囊线虫。在河南省许昌市半坡铺村的一块麦田上，第一次看到了小麦孢囊线虫的危害。在这块孢囊线虫严重发生的麦田，小麦植株矮小，麦穗稀疏，穗头很小，几近绝收(图1)。危害小麦的孢囊线虫英文称为Cereal cyst nematode，简称CCN。

图1 小麦孢囊线虫的危害

实际上，早在1987年在湖北省天门县的麦田里就发现了小麦孢囊线虫。我国小麦孢囊线虫有两个种，一个是禾谷孢囊线虫(Heterodera avenae)，另一个是菲利普孢囊线虫(Heterodera filipjevi)。禾谷孢囊线虫分布更广泛一些，在16个省、市、自治区有发生，菲利普孢囊线虫可在河南、安徽、宁夏、青海、新疆、山东等省区检测到。小麦孢囊线虫在世界上40多个国家也有发生。

线虫危害在小麦上引起的症状与一些病害的症状相似，由于线虫的形体很小，肉眼看不到，需要借助显微镜等工具来观察，因此，小麦孢囊线虫引起的症状往往被认为是病害，而不是虫害。对于病害，化学防治、生物防治、栽培措施防治和抗病品种防治是通用的做法。对于育种家而言，那就是培育抗病品种。而要想利用寄主抗性控制线虫的危害，首先就要有抗源。我们就从抗源筛选入手，开始了抗小麦孢囊线虫研究。

2008年秋季选择一些从美国引进的小麦种质资源，还有部分当时黄淮麦区的小麦主栽品种，共60多份，种植在河南许昌感染线虫的田块上，开展田间病圃抗性鉴定。翌年5月，从麦田里挖出每个品种的根进行观察，感病品种温麦19根系上有很多白色的孢囊，由于线虫的危害，根系变成一团乱麻，发育受到严重影响，这也说明这个田块可以作为抗性鉴定的病圃。美国的品种Madsen根系生长非常好，没有受到影响，几乎看不到白色孢囊(图2)。

图2 小麦品种Madsen和温麦19对孢囊线虫的侵染反应(Wu et al., 2016)

那一年，恰逢一些国内外线虫专家考察，中国农业大学唐文华教授称Madsen为抗线虫“Star Cultivar”。Madsen不但抗禾谷孢囊线虫，而且还抗菲利普孢囊线虫(Wu et al. 2015)。之后连续10多年的田间病圃和温室接种鉴定，这个品种一直保持了非常好的抗性。

图3 小麦抗线虫“Star Cultivar”-- Madsen

尽管成为“Star”了，但是，Madsen的抽穗期和成熟期比我们国内的品种要晚了半个多月(图3)。这样的品种不要说直接在生产上利用，就是与国内品种杂交都很困难，花期相差太大。我们通过错期播种，配制了Madsen与良星99、济麦20、龙麦10号、烟农15、徐麦856等品种杂交组合。经过连年自交，创制了F6重组近交系(RIL)群体，为定位Madsen的抗线虫基因准备了遗传群体。

麦类作物上的线虫最初称为Cereal root eelworm，所以小麦抗线虫基因符号是Cre。我们注意到，Madsen的系谱是VPM1/Moisson951//2*Hill81。已知VPM1携带抗线虫基因Cre5，这个基因来自偏凸山羊草2NS染色体片段，被易位到小麦2AS染色体(Jahier et al., 2001)。通过对Madsen的亲本进行抗性评价和染色体片段特异分子标记检测，发现VPM1这个2NS染色体片段和Cre5基因传递给了Madsen(图4)。但我们在某些Madsen的杂种后代中发现，即使存在2NS染色体片段，对菲利普孢囊线虫也不具抗性。

图4 Madsen亲本的抗线虫评价(Wu et al., 2016)

为了解析这一现象，我们从2013-2016年，采用田间病圃和温室接种方法对Madsen × 良星99 RIL作图群体进行了5次抗菲利普孢囊线虫和2次抗禾谷孢囊线虫评价，获取RIL群体的表型数据。田间病圃设在河南省许昌市半坡铺村(H. filipjevi)和荥阳市(H. avenae)，温室接种鉴定在北京进行。采用90K SNP芯片获取作图群体的基因型。利用区间作图法，在7DL和2AS染色体上分别发现一个QTL，QCre-ma7D和QCre-ma2A(图5)。QCre-ma7D是一个新的抗线虫位点，正式命名为Cre9；QCre-ma2A应是Cre5。结合基因型和表型结果，Cre9也和Cre5基因一样都来自偏凸山羊草。

图5 Madsen抗线虫QTL分析(Cui et al., 2020)

在RIL群体中，携带两个抗线虫基因的家系与亲本Madsen一样，对两种线虫都表现抗性。但是，携带Cre9的家系抗菲利普孢囊线虫，但不抗禾谷孢囊线虫；携带Cre5的家系抗禾谷孢囊线虫，但不抗菲利普孢囊线虫(图6)。这个结果揭开了一个秘密，让我们知道为什么含有Cre5的小麦家系不抗菲利普孢囊线虫。这个结果发表今年在Phytopathology发表(Cui et al., 2020)。

图6   Cre5 (2A)和Cre9 (7D)对两种孢囊线虫的抗性(Cui et al., 2020)

Cre5所在的2NS染色体区段还同时还有抗锈病基因Lr37、Yr17和Sr38，有比较方便的分子标记可以追踪抗线虫和抗锈病基因。美国著名的小麦品种Jagger含有这个2NS区段，也是进行基因组重测序分析的品种之一；国内含有这个2NS区段的品种有中国农业科学院作物科学研究所何中虎研究员团队培育的北部麦区主栽品种中麦175，黄淮北部麦区也育成了孟麦58和淮阳1号等小麦新品系(Wang et al., 2018)。兰考906、郑2062、西农739、陕872、小偃216、陕538、陕515、大唐991、户麦928、0020-332、2871和378中可能含有Lr37-Yr17-Sr38 (李峰奇等, 2009)。

我们根据Cre9连锁的SNP标记，开发了3个KASP标记，可以规模化地检测Cre9基因(图7)。这样，两种抗线虫基的利用就都可借助分子标记辅助选择技术了。为了更好地在小麦育种中利用Madsen的抗线虫基因，我们创制了农艺性状好、生育期适合我国生态条件的抗线虫新品系。由于Madsen不抗白粉病，我们还有意识利用抗白粉病品种与之杂交，培育出了既抗线虫，又抗白粉病的品系，提供育种利用(图8)(孙喜营等, 2015; Qiu et al., 2017)。

图7 小麦抗孢囊线虫基因Cre9的KASP标记(Cui et al., 2020)

图8 小麦抗孢囊线虫Cre5和Cre9基因分子标记辅助选择和种质创新

这个故事历时有点长，很多老师和同学参加了研究过程，写这个推文的时候还能出现同学们在田间辛苦取样和埋头数孢囊时的画面(图9)。每篇文章长长的作者名单(见以下文章目录)，就是对他们辛勤工作的感谢。

图9 小麦孢囊线虫基因抗性评价田间取样工作情景

主要参考文献

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  2. 代君丽，崔磊，刘珂，宗莹莹，袁虹霞，邢小萍，李洪杰，李洪连 (2013) 小麦品种太空6号对Heterodera avenae郑州群体的抗性遗传分析. 作物学报，39(4): 642-648

  3. 高秀，崔磊，李洪连，王晓鸣，唐文华，林小虎，李洪杰 (2012) 硬粒小麦品种Waskana和Waskowa对禾谷孢囊线虫(Heterodera filipjevi和H. avenae)的抗性. 作物学报，39(4): 571-577.

  4. 李峰奇，韩德俊，魏国荣，增庆东，康振生 (2009) 黄淮麦区小麦品种Lr37-Yr17-Sr38基因簇的分子检测. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 37(3): 151-158.

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  6. 武小菲，李洪杰，王晓鸣，陈怀谷，徐世昌，刘太国 (2013) 人工合成小麦对地上和地下病害的抗性：条锈病、叶锈病和禾谷孢囊线虫. 植物遗传资源学报，14(6):1221-1226

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