小麦对小麦孢囊线虫抗病性研究进展

　　摘要：由小麦孢囊线虫引起的小麦孢囊线虫病发生分布范围广，防治困难，严重危害我国小麦生产。在我国危害小麦的孢囊线虫主要包括禾谷孢囊线虫(Heteroderaavenae)和菲利普孢囊线虫(.filipjevi)。种植抗病小麦品种是防治小麦孢囊线虫病最经济有效的措施，近10年来，我国科学家制定了小麦孢囊线虫抗性评价标准，测试了我国主推小麦品种和部分引进种质资源对小麦孢囊线虫的抗感性，鉴定到太空号、新麦11、VP1620、和Madsen等抗小麦孢囊线虫的优良材料利用抗源创制了一系列的抗小麦孢囊线虫种质材料，从组织细胞学、基因组和转录组等解析了小麦抗孢囊线虫的机制。本文主要从小麦孢囊线虫致病型分化、抗性评价、抗性基因鉴定、抗性机制解析和抗病基因利用等方面进行综述。

　　关键词：小麦孢囊线虫;抗性基因;组织细胞学;寄主植物介导的基因沉默;基因编辑

　　小麦孢囊线虫(cerealcystnematode，CCN)病已成为我国小麦生产上一种重要病害，罹病小麦一般表现为植株瘦小，黄化矮化，分蘖较少或不分蘖，麦苗稀疏，与缺肥、缺水等营养不良症状相似，根部表现为主根严重退化，侧根丛生、增多，通常呈“钢丝球”状，在小麦的抽穗期和扬花期，根部形成的白色孢囊清晰可见[1]。目前小麦孢囊线虫病已在河南、河北、山东、安徽等16个省份均有发生分布，常年发生面积6000多万亩2]，平均减产高达120万吨，经济危害损失超过19亿人民币，严重危害我国小麦的安全生产。在我国，引起小麦孢囊线虫病的病原主要包括禾谷孢囊线虫(Heteroderaavenae)和菲利普孢囊线虫(filipjevi)[3,。菲利普孢囊线虫侵染周期长、致病毒力强，对小麦的危害损失较禾谷孢囊线虫更为严重。

　　农作物种植论文投稿刊物：《小麦研究》论文范文参考 原名《山西小麦通讯》，由山西省农科院小麦研究所主管主办。

　　在田间，两种孢囊线虫还常混合发生、复合侵染小麦6]，侵染造成的伤口有利于其他土传病害病原物的协同侵染，加重其他土传病害的危害和发生程度。种植对小麦孢囊线虫抗病的品种是防控小麦孢囊线虫病害最经济有效的措施，然而，我国小麦主推品种对小麦孢囊线虫大多表现为感病或高感，并且小麦孢囊线虫致病型分化严重，利用抗性品种防控小麦孢囊线虫病害仍受到限制。截止目前，在小麦孢囊线虫致病型鉴定、抗性评价、抗性基因鉴定、抗性机制解析和以及抗病育种方面都取得了丰硕的进展。

　　1致病型分化和CCN抗性评价

　　CN的致病型最早是由Andersen用来区分欧洲国家不同群体禾谷孢囊线虫的致病力(株系)。之后，Andersen等提出用致病型代替小麦禾谷孢囊线虫小种或株系的概念来避免这种混乱的命名体系，并重新修订整理了一套包含大麦、燕麦、小麦等不同抗性基因的鉴定群体，被全世界普遍采纳。世界各地CCN的致病型存在较大差异，甚至在很多国家的同一地区存在多种致病型。

　　Rivoal和Cook推断全世界至少存在30个不同的CCN致病型。截至目前，国际上已经正式命名的禾谷孢囊线虫致病型有15个2]，菲利普孢囊线虫致病型有个。其中我国已正式命名的致病型包括：河南须水和荥阳的Ha43群体10、北京大兴和青海湟源群体的Ha91群体2]以及河南许昌的菲利普孢囊线虫“West”-群体。Peng和Cook推断我国至少存在个与国际正式命名的致病型不相同的新致病型。由于不同时期、不同人员的抗性鉴定评价标准不一致，导致很多群体虽然进行了致病型鉴定但尚未对其致病型命名1。

　　因此，制定一套科学的、并被接受的致病型和抗性鉴定评价标准是一项十分重要的任务。中国农业科学院植物保护研究所制定了《小麦孢囊线虫鉴定和监测技术规程》、《小麦品种抗禾谷孢囊线虫鉴定技术规程》等农业行业标准，明确以白雌虫和孢囊总数()作为判定小麦品种抗感禾谷孢囊线虫的标准，即免疫(N=0)、高抗(<≤)、抗病(<≤10)、感病(10<≤30)和高感(>30)。适合我国国情的、科学的、简化的CCN致病型判定标准尚需尽快制定。研究发现，当土壤中线虫卵量基数大于20个，菲利普孢囊线虫造成减产达48%。

　　在我国，当土壤中禾谷孢囊线虫卵量达到10个时，产量损失高达16%55%。在栽培小麦品种中，CCN抗性资源匮乏，绝大多数小麦品种对CCN表现为感病，通过田间病圃鉴定结合室内人工接种鉴定方法发现太空号、中育号、新麦11、新麦18、华麦1号、淮麦29等我国栽培小麦品种，以及VP1620、6R(6D)、BATAVIA、SUNR23、AUS4930、MACKELLER、Waskana、Waskowa、Madsen、VENTURA(SUN376G)、CROC1/AE.SQUARROSA(224)//OPATA*A和CROC_1/AE.SQUARROSA(224)//OPATA*B等引进的小麦种质资源对我国禾谷孢囊线虫多个致病型具有一定的抗性。

　　然而，对155份黄淮麦区主栽品种和引进自CIMMYT的小麦种质资源进行菲利普孢囊线虫抗性鉴定，仅有份品种表现高抗。近年来，采用室内盆栽结合田间病圃鉴定出对菲利普孢囊线虫表现为高抗的品种，如矮早八、Mirzabey2000、Patwin和MV17/3/Azd/Vee"s"//Seri82/Rsh/4/Fln/Acc//Ana/3/Pew"s"/5/Rsk/CA8055//Cham6。此外，还鉴定出对菲利普孢囊线虫具有部分抗性的小麦品种，如太空号、中育号、濮麦号、豫农201等小麦品种，以及Madsen、6R(6D)、MACKELLER、CP1133842等国外小麦种质资源。

　　2抗性候选基因鉴定

　　目前已鉴定的CCN抗病基因或QTL主要有Cre1、Cre2、Cre3、Cre4、Cre5、Cre6、Cre7、Cre8、QCrema7D、Cre8V、CreR、CreV、CreX、CreY、Ha1、Ha2、Ha3、Ha4和Rha2等(表)。除Cre1和Cre8来源于六倍体普通小麦(Triticumaestivum)外25，其它抗病基因或QTL来自小麦野生近源种和大麦，如Cre2、Cre5、Cre6和QCrema7D来源于偏凸山羊草(Aegilopsventricosa),30,3，Cre3和Cre4来源于节节麦(Triticumtauschii)，Cre7来源于钩刺山羊草(Aegilopstriuncialis)，CreR来源于黑麦(Secalecereale)，CreV来源于簇毛麦(Haynaldiavillosa)，Cre8V、CreX和CreY来源于易变山羊草(Aegilopsvariabilis)，Ha1、Ha2、Ha3、Ha4和Rha2等均鉴定自大麦(Hordeumvulgar)。从野生燕麦Avenaesterilis鉴定分离到抗性基因R1和个主效抗病基因(A,B,C)41。

　　不同抗病基因对不同CCN致病型具有完全抗性或部分抗性。Nicol和Rivoal报道，某些Cre基因的抗性仅对特定的禾谷孢囊线虫小种和不同的致病型才表现抗性。Hajihasani等50报道CreR和Cre1可以有效抵抗禾谷孢囊线虫郑州群体，但对Ha91致病型群体和河北群体却表现出高感23。

　　Cre2基因可以有效抵抗禾谷孢囊线虫Ha71和Ha11群体，但是对HgIHgIII和Ha13群体无抗性。携带Cre3基因的小麦品种VP1620和CrocA对北京大兴Ha91致病型表现抗病，携带Cre1、Cre2、Cre7、Cre8和CreR基因的小麦品种对Ha91致病型群体表现感病。携带Cre1、Cre3和Cre8基因的品种对澳大利亚致病型Ha13的抗性程度差异较大，携带Cre3基因的抗性程度最强25。

　　据报道，CreR和QCrema7D可有效抵抗菲利普孢囊线虫32,49,50,53]，但对多个禾谷孢囊线虫群体没有抗性32,51,54,55]。携带不同Cre基因的品种对西班牙致病型Ha71有效抗性程度依次为Cre1≥Cre4≥Cre5≥Cre2>Cre7>Cre8>Cre3>Cre6。

　　CCN抗性机制解析CCN侵染抗性小麦通常引起寄主的过敏性反应，在细胞组织、生理生化、防御相关基因表达、植物激素信号通路等不同时空层面均发生显著变化。植物寄生线虫成功侵入寄主的前提是寻找到寄主，根系分泌物吸引和诱集线虫侵入。

　　研究发现感病和抗病小麦对CCN均有吸引诱集作用，通常感病品种的诱集能力高于抗病品种。虽然CCN均能侵入感病和抗病小麦根内，但抗性品种根组织表现为木质素层增厚，合胞体形成和发育滞后且缓慢，合胞体周围细胞坏死，合胞体体积变小、液泡破裂，导致合胞体凋亡降解等。

　　由于寄主的防御反应，导致CCN在抗病小麦品种中的发育明显受到抑制，表现为侵入根内的幼虫发育迟缓，低龄幼虫向高龄幼虫转变的数量和比例下降，大量幼虫死亡，只有部分幼虫可以转变成高龄幼虫，而且转变的部分高龄幼虫的形态也发生变化，通常体积萎缩变小且呈畸形，只有少数的高龄幼虫可以完成生活史，最终形成的孢囊数量较少，且体积变小形态畸形 。种植抗性品种后可明显减少根际土壤中的线虫数量，降低危害风险。

　　CCN抗性育种种植抗病品种是防治小麦孢囊线虫病最为经济、有效、安全的措施。育种家运用远缘杂交和染色体工程等技术，将小麦近源物种含有的CCN抗病基因通过“基因渗入(genetransgression)”或者“基因转移(genetransfer)”等方式导入栽培小麦，创制了大量的遗传育种抗病新材料，选育出抗CCN的新品系40。如将节节麦(tauschii)的Cre3和Cre4基因导入普通栽培小麦，选育出高抗Ha13致病型的小麦品种。

　　将偏凸山羊草(Aeventricosa)的Cre2基因通过“Steppingstone”转入普通小麦，培育出高抗西班牙Ha71致病型和英国Ha11致病型的可稳定遗传新品系。我国科学家中国农业科学院作物科学研究所李洪杰研究员团队研究发现引自美国的小麦品种Madsen对我国禾谷孢囊线虫和菲利普孢囊线虫均表现为高抗，但其生育期长极其晚熟且不抗白粉病，为利用其CCN广谱抗源并克服其农艺缺陷，将Madsen与我国抗白粉病的主栽小麦品种良星99进行杂交，选育出同时抗白粉病和CCN两类病害且生育期适当的新品系，可作为抗病虫的新种质加以利用。

　　基于RNAi的寄主植物介导的基因沉默(hostinducedgenesilencing,HIGS)技术已成功应用于病虫害的防控。如在玉米中表达玉米根莹叶甲(Diabroticavirgifera)的ATPase基因，可显著减轻玉米根莹叶甲的为害。在病害防控中，以小麦赤霉病菌禾谷镰孢(Fusariumgraminearum)FgChs3b为靶标构建的HIGS小麦即使到F5代仍对禾谷镰孢具有明显的抗性70。

　　展望

　　随着新一代测序技术的发展，CCN多个致病型的基因组以及寄主作物小麦和大麦基因组逐渐被解码74,75，CCN与寄主的互作机制也将会逐步解析。Chen76通过高通量测序比较分析吸引阶段CCN幼虫的转录应答反应，发现幼虫在侵染前的吸引阶段，CCN幼虫比寄主代谢更活跃。Qiao等分析比较CCN幼虫侵染高感品种温麦19的响应调控因子发现，组织细胞氧化还原，寄主抗性诱导和抑制和转运相关的基因均可能参与互作。崔江宽通过GWAS数据分析，发现小麦2B、6A、7B和7D染色体上均有显著抗性基因标记位点(数据未发表)。小麦基因组庞大，转基因技术和基因编辑的应用相对困难。因此开展CCN寄主抗性机制和抗性基因鉴定相关的研究，将为植物线虫的抗性机制解析和分子育种提供重要的理论依据。

　　参考文献

　　[1]ChenPS,WangMZ,PengDL.PreliminaryreportofidentificationoncerealcystnematodeofwheatinChina[J].ScientiaAgriculturaSinica(中国农业科学),1991,24(5):8991.

　　[2]CuiJ,HuangW,PengH,etal.AnewpathotypecharacterizationofDaxingandHuangyuanpopulationsofcerealcystnematode(Heteroderaavenae)inChina[J].JournalofIntegrativeAgriculture,2015,14(4):724731.

　　[3]CuiJ,HuangW,PengH,etal.EfficacyevaluationofseedcoatingcompoundsagainstcerealcystNematodesandrootlesionnematodesonwheat[J].PlantDisease,2017,101(3):428433.

　　[4]PengDL,YeWX,PengH,etal.FirsteportofthecystnematodeHeteroderafilipjevionwheatinHenProvince,China.PlantDisease.2010,94(10):1262.

　　作者：孔令安1#，崔江宽2#，彭焕1，黄文坤1，彭德良