美国冬小麦核心种质赤霉病抗性鉴定及赤霉病抗性全基因组关联分析

【摘要】：赤霉病（Fusarium head blight, FHB）是世界湿润半湿润地区小麦主要病害之一，危害性和破坏力极大。由于禾谷镰孢菌(Fusarium graminearum Schw.)感染后易产生脱氧瓜蒌镰菌醇等毒素导致籽粒感染赤霉病，造成作物大面积减产并损害品质，危害人和牲畜的健康。目前已有相应的农田措施和生物杀菌剂配合使用，但效果不理想。种植赤霉病抗性品种是控制赤霉病最行之有效的措施。最近几年赤霉病在美国大平原冬麦区扩展迅速，因此，评估小麦赤霉病重要抗性指标、发掘赤霉病抗性种质、利用关联分析作图技术定位与赤霉病抗性相关的数量性状位点（QTL）或基因，将具有显著抗性数量性状位点的抗性材料用于小麦品种选育上，对于提高美国冬小麦赤霉病抗性、降低赤霉病危害和减少经济损失等方面具有十分重要的作用。本研究以363份具有显著代表性的硬粒冬小麦和软粒冬小麦为样本，通过重复性的温室针管接种赤霉病试验和大田针管接种结合赤霉病播撒试验，筛选赤霉病抗性材料、并对赤霉病相关性状进行评价；利用不同方法测定赤霉病相关性状，通过比较不同方法的优越性确定最适宜赤霉病评估的方法；以其中207份冬小麦材料，通过分布于小麦全基因组的分子标记检测，评估美国冬小麦品系的遗传结构、多样性及连锁不平衡；利用9,000个高通量SNP标记和145个SSR和STS标记，对363份材料中的165份大平原区冬小麦品系进行被感染小麦发病率（PSS）和籽粒染病损害程度（FDK）关联分析。研究结果如下： 1、为在美国小麦种质资源中鉴定出赤霉病抗性材料，363份冬小麦品系被用于赤霉病抗性鉴定。结果表明：温室和大田试验检测的平均PSS间呈显著正相关（r=0.73, P 0.001）；而绝大部分待检测的材料呈现出中感或高感性状，其中22份品系在温室和大田试验中均表现较高抗性，如: Lyman、 Harry、 T154、 Heyne、 Everest、Freedom、Roane和Bess等；19份材料携带来源于苏麦3号的Fhb1主效抗性片段，其平均PSS温室试验为29.8%，大田试验为25.1%；未携带Fhb1基因片段的材料在温室和大田试验中表现出连续的赤霉病抗性，表明这些材料可以成为整合美国赤霉病抗性QTLs和Fhb1抗性的很好的种质资源。 2、赤霉病侵染后易造成籽粒染病损害（FDK）和脱氧瓜蒌镰菌醇累积（DON），致使产量和品质下降。更加有效和可靠的病害评估方法对于成功鉴定赤霉病抗原和筛选抗性材料是十分必要的。为评估不同类型抗性的相关性，363份美国冬小麦品系用于温室和大田试验评估FDK和DON含量。单籽粒近红外光谱法（SKNIR）分析FDK和DON含量与视觉评估FDK和气相色谱-质谱法（GC-MS）分析DON含量比较结果如下：视觉评估FDK分别与PSS（r=0.62, P 0.001）、与SKNIR法检测FDK（r=0.72, P 0.001）、与SKNIR法检测DON（r=0.68, P 0.001）间具有较高的相关性；SKNIR法检测的DON和FDK间也呈显著正相关（r=0.95, P 0.001），因此，视觉评估法和SKNIR法对于赤霉病抗性指标评价均能发挥重要的作用； Fhb1引入到4个美国品种（Wesley、Trego、Clark和Harding）中，其中Wesley、Trego和Clark的Fhb1近等基因系的FDK和DON含量均比亲本有大幅度下降，表明Fhb1在美国冬小麦遗传背景中也能提高其赤霉病抗性。 3、利用均匀分布于小麦染色体组的168对分子标记对207份美国冬小麦种质材料进行群体遗传结构分类分析表明冬小麦品系分为4个亚群较合理；遗传多样性分析显示美国冬小麦品系遗传多样性偏低，硬粒冬小麦亚群H1和H2遗传距离及软粒冬小麦亚群的H3和H4遗传距离均较小，即亚群遗传背景差异越大，遗传距离越大；UPGMA聚类分析和主成分分析（PCA）结果显示美国冬小麦品系划分为4个亚群是合理的；美国冬小麦的连锁不平衡（LD）衰减距离短，平均衰减距离小于10cM，表明美国硬粒冬小麦关联分析中需要增加分子标记的密度。 4、利用全基因组关联分析法对165份硬粒冬小麦品系为主的材料进行分析，这组材料已在温室中进行多重复的PSS和FDK评估试验，基因鉴定通过145个SSR和STS标记和9,000个SNP标记检测完成。关联分析检测到4个SSR标记（Xgwm261（2D）, Xgwm493（3B）, Xbarc102（3B）, Xwmc273（7B））和1个STS标记（Xumn10（3B））均与PSS和FDK抗性显著关联（q 0.1）；两个SNP标记（IWA5426（3B）和IWA92（3B））与PSS抗性相关，而1个SNP标记IWA2493（3B）与FDK抗性相关；3BS上的QTL位于Fhb1区域，而2D染色体上的QTL主要在南部大平原区域的材料中检测到，7B染色体上的QTL主要在南部和北部大平原区域的材料中；而IWA2493与3BS上的Fhb1QTL显著相关。试验检测出的显著性标记将有利于分子标记辅助选择育种在美国冬小麦赤霉病抗性育种工作中的开展。