* 通讯作者(Corresponding author): 武予清, E-mail:yuqingwu36@hotmail.com, Tel: 0371-65738134
** 同等贡献(Contributed equally to this work)
为了简化小麦品种对麦红吸浆虫抗性的鉴定方法, 评价我国冬小麦主栽品种对吸浆虫的抗感性, 2008—2012年在河南洛阳田间, 连续调查鉴定麦红吸浆虫对我国小麦主栽品种的虫穗率(ISP)与损失率, 分析其相关性。结果表明ISP和损失率存在显著的相关性。在田间吸浆虫高密度下, ISP定级方法比相对定级方法更能表现品种的抗性和敏感程度, 各抗级的指标依次为0 (免疫)、0< ISP< 20 (高抗)、20 ≤ ISP< 40 (中抗)、40 ≤ ISP< 60 (中级)、60 ≤ ISP< 80 (感)和ISP ≥ 80 (高感)。我国冬小麦的主要生产品种对吸浆虫均为感虫或高感, 而荆麦66表现为高抗, 我国小麦中极度缺乏抗虫品种。鉴定结果表明, ISP定级方法简便高效, 可以取代相对定级法用于小麦抗红吸浆虫的鉴定。
To simplify the method of identifying resistance in winter wheat varieties to orange wheat blossom midge,
1河南省农业科学院植物保护研究所 / 河南省农作物病虫害防治重点实验室 / 农业部华北南部作物有害生物综合治理重点实验室, 河南郑州 450002;2洛阳市农林科学院, 河南洛阳 471000
麦红吸浆虫[ Sitodiplosis mosellana (Gehin)]是我国冬小麦的主要害虫。该害虫以幼虫潜伏在颖壳内吸食正在灌浆的汁液, 造成麦粒瘪疮、空壳或霉烂, 一般减产10%~20%, 重者减产30%~50%, 甚至颗粒无收。据全国农业技术推广总站的资料, 自2002年以来我国小麦吸浆虫(以麦红吸浆虫为主)发生面积超过200万公顷, 直接威胁着我国小麦的安全生产[ 1]。
筛选、鉴定和培育抗小麦吸浆虫品种并加以利用是麦红吸浆虫综合治理的主要技术措施之一, 在20世纪50年代, 抗小麦吸浆虫品种西农6028和南大2419曾在生产中发挥了重要作用[ 2]; 1985年以来, 小麦吸浆虫再次在华北西北麦区大面积发生, 并出现大范围的“北扩东移”现象, 河北、山东等地50年代并无吸浆虫危害的报道, 而现在成为吸浆虫发生的主要地区。目前, 我国吸浆虫的生物学规律和监测防控技术, 以及品种抗性鉴定和抗性机制研究都取得了许多进展[ 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], 但是仍然缺乏抗吸浆虫的小麦生产品种。
品种抗性的调查和分级是抗性研究的基础工作, 在我国一直以损失率或受害率为筛选指标, 如粒被害率分级法[ 10]、虫穗率结合单穗虫口分级法[ 11]、危害损失率分级法[ 12]、抗性指数分级法(参试品种估计损失率除以对照品种损失率)[ 13]。1989年, 郭予元制定了以损失率为基础的相对定级标准, 即以参试品种各重复最高估计损失率与所有参试品种平均估计损失率之比值作为当年抗性定级标准[ 14], 此后的抗性鉴定一般依据该标准[ 15, 16, 17]。Wise等[ 18]也曾用籽粒受害程度来评价抗虫性, 并在加拿大温尼伯省育种程序中开始采用扬花后2周的麦穗脱落幼虫情况来筛选抗性品系[ 19, 20]。
以相对损失率作为抗性分级标准时, 需要检查剥开每穗的所有颖壳记载每个籽粒的受害状和幼虫数, 按每品种调查30穗计, 每人每天只能调查2~4个品种(系); 由于幼虫容易脱落, 因而对鉴定时间有比较严格的限制, 当需要鉴定数百份甚至上千份品种资源时, 需要动用大量人力, 这是抗性鉴定筛选工作的一大制约因素。
2008—2012年, 国家小麦产业技术体系在河南洛阳开展了我国小麦生产主栽品种的对吸浆虫抗性鉴定和评定工作, 通过4年的数据试图找出损失率和虫穗率的关系, 以简化抗性评定工作, 并对我国北方冬麦区2008—2011年的主栽品种进行评价, 指导小麦生产。
冬小麦品种来源于国家小麦产业技术体系病虫害防控研究室(依托西北农林科技大学植物保护学院)。2008年种植236个, 2009年种植284个, 2010年种植356个, 2011年秋种植417个。由于春季冻害个别品种没有收获。
2008年和2009年在河南省洛阳市洛宁县孙村洞村, 2010年和2011年在河南省洛阳市洛龙区焦寨村10月中旬播种, 麦红吸浆虫幼虫播前淘土, 棋盘式取样, 每小方平均幼虫量逐年分别为20.1、27.5、84.6和135.5头; 每品种每小区种植1 m双行, 重复3次, 记载每个品种的抽穗期。
在小麦乳熟期吸浆虫尚未脱壳入土前, 剥穗检查每粒小麦上的幼虫数, 按每粒有虫1、2、3和≥4头分为4级。在小麦乳熟期(老熟幼虫入土前), 每小区随机取10穗, 每个品种共取30穗, 每穗放入一纸袋内, 带回室内逐穗、逐粒剥查麦粒中的幼虫数, 计算出每个鉴定品种的估计损失率( L, %)和相对损失( L/ Lm, Lm为平均估计损失率)。
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式中, W为穗上总虫数; G为总穗粒数; 麦红红吸浆虫幼虫吃完一粒麦粒需4头。按郭予元的相对定级标准, 将 L/ Lm分为5级分别对应不同抗级, 依次是免疫( L/ Lm=0)、高抗(0< L/ Lm≤0.2)、中抗(0.2< L/ Lm≤0.5)、低抗(0.5< L/ Lm≤1.0)、感虫(1.0< L/ Lm≤ 1.5)和高感( L/ Lm>1.5)[ 14]。
按虫穗率(percentage of infested spikes, ISP)作评价指标时, 共分6级, ISP=0单独作为一级, ISP每增加20%为一个抗级, 当ISP≥80%时归为一级。
用2种评价方法分别统计各抗性的品种数。统计基于虫穗率的各抗性品种损失率的平均值, 并利用SPSS16.0软件比较2种方法各抗级损失率的差异, 以及对2种方法作相关性分析。
选择2008—2011年冬麦区推广面积超过33.3万公顷的全部品种和推广面积20.0~33.3万公顷的大部分品种共26个, 荆麦66作为对照, 用虫穗率定级法鉴定红吸浆虫抗性。品种名录由中国农业科学院作物研究所闫长生博士提供。
虫穗率与损失率之间相关性显著, 随着吸浆虫穗侵染百分率的增加, 损失率以指数级数增加(图1)。说明可用品种虫穗率来代替用损失率作相对定级的标准, 从而大幅度简化调查程序和降低工作强度, 提高抗虫性筛选和鉴定效率。
按虫穗率作定级标准, 4年统计结果显示, 各抗性的平均损失率呈现随虫穗率增大而增加的趋势(表1)。按此标准分为0~5共6个抗级, 其中0级为免疫, 5级为高感(表2), 有的年份1~3级的损失率差异不显著(表1), 其中3级可作为从抗虫到感虫的过渡级别。
以相对损失率定级方法为对照, 比较两种定级标准检出各抗级品种数量, 发现2种分级的鉴定方法各抗级的品种数存在差异(表3)。2012年在高侵染程度的情况下, 由于417个品种的平均损失率高达68.53%, 其中139个品种损失率为100%, 损失率比值为1.46, 所以相对定级标准的最高级别为4级。在这种情况下, 损失率定级标准与品种的表现不符, 极易掩盖感虫基因的表现; 同时, 该年用损失率定级方法获得的品种的平均抗级仅为2.58, 显著低于虫穗率分级方法下的抗级平均值(4.94)。这说明在红浆虫高密度条件下, 虫穗率分级方法较相对损失率定级方法更合理和有效。
小麦品种的损失率、虫穗率与损失率定级标准下品种的平均抗级无显著相关性, 相关系数分别为0.728和0.755; 但与虫穗率定级标准下的品种平均抗级有显著相关性, 相关系数分别为0.909和0.997。这进一步说明虫穗率定级标准更能反映品种被侵染的程度。
对我国冬麦区主栽小麦品种的鉴定结果表明, 济麦22、百农AK58、郑麦9023、烟农19、邯6172、西农979、良星99、周麦18、豫麦49-198、衡观35、烟农21、扬麦16、小偃22、郑366、周麦16、泛麦5号、淮麦20、山农15、皖麦52、偃展4110、豫麦70-36、新麦18、济麦20、石家庄8号、周麦22、扬麦13等26个均为感虫品种中, 周麦18、邯6172、衡观35和石家庄8号连续4年为5级或接近5级, 表现高感, 而对照品种荆麦66则连续4年表现高抗。
田间筛选小麦抗性基因是培育寄主抗性的重要基础。抗性品种(系) 筛选鉴定的过程, 实际上是鉴定吸浆虫侵染程度, 包括产量损失率、虫穗率和被害籽率等。目前我国田间抗性筛选鉴定是损失率相对值定级标准, 损失率的检查工作量极大, 特别是材料多、虫量大的情况下, 抗性的评定受到很大限制。例如, 在2012年的抗性鉴定中, 损失率100%的品种139个, 占全部417个品种的1/3, 其中扬麦13、丰抗38和12SJ-13的平均单穗虫量分别高达432.7、451.2和460.2头, 每人每天只能鉴定1~3个品种; 同时短时间内不能检查完毕, 幼虫则极容易从穗上脱落, 从而造成损失率计算的误差。我国自1985年至今众多的抗性鉴定报道中, 一直采用损失率相对值定级标准, 迄今尚没有筛选出公认的抗性基因在生产上应用。与20世纪50年代抗虫品种南大2419和西农6028在防治吸浆虫上发挥的重大作用相比, 当前的品种防治技术没有得到新的提升。另外, 损失率相对值定级标准, 是在高感和高抗品种不详的情况下的相对评级, 如2012年在吸浆虫侵害严重的情况下, 1/3的品种损失率100%, 但最高级却没有5级, 与实际情况不符。
本研究中虫穗率与剥穗调查的损失率存在高度的指数相关关系, 2种调查指标可以相互置换, 而且虫穗率定级标准比损失率相对定级标准更能表现小麦品种被吸浆虫的侵害程度; 与损失率相对比值定级标准相比, 直接用虫穗率定级标准, 抗性品种在何种吸浆虫虫口密度下, 都表现出抗性。虫穗率调查方法简单, 每人每天可检查50~100个品种, 可以大大提高田间筛选鉴定效率, 促进小麦对吸浆虫抗性研究和利用。
在加拿大育种计划实施的初期, 也采取剥穗的方法检查小麦吸浆虫侵染的麦粒数来鉴定抗性[ 21], 而近来加拿大温尼伯育种程序中开始采用有虫穗数来鉴定, 即在田间或者虫圃内种植不同品种/品系, 在扬花后2周取穗, 带回实验室检查幼虫量。评估员通过将麦穗放置在白色托盘里敲打, 计数脱落的幼虫。检查5个穗, 如果第一个穗上有幼虫脱落, 可确认基因型是易感的。这样每天可鉴定300~400个小区。如果在5个穗上没有发现脱落幼虫, 得到的基因型是抗性的, 因为他们认为未发育成熟的幼虫没有从穗上脱落, 也是表现抗性基因型的一种性状[ 19, 20]。
本研究鉴定结果表明, 北方冬麦区的主栽品种均表现感虫, 在吸浆虫大发生的情况下均严重减产。几个高感主栽品种(如周麦18、邯6172)在该地区的抗吸浆虫鉴定中可作为感虫对照。荆麦66在连续鉴定中表现高抗, 可以作为抗虫对照。抗虫和感虫对照品种的确定, 可以促进我国抗虫品种/抗虫种质的抗性鉴定, 也为抗虫基因的利用奠定基础。
Olfertal等[ 21, 22]已筛选出小麦抗吸浆虫品种, 并获得有效抗性基因; Thomas等[ 23]报道了春小麦位于染色体2B上的一个抗吸浆虫单基因 SM1, 并认为这个基因可使吸浆虫幼虫高水平致死。另外, 还有一种遗传抗性机制, 即排异性(antixenosis)或不选择性(non-preference), 如某些春小麦品种的穗部气味可以减少吸浆虫产卵[ 24, 25], 这同样是一种可遗传抗性。Blake等[ 26]以抗虫品种Reeder和感虫品种Conan构建重组自交系, 对抗吸浆虫主效基因进行遗传定位, 鉴定出1个主效QTL ( QSm.mst-1A), 位于染色体1A上, 近等基因系抗虫品种Reeder在该位点的等位基因可以减少吸浆虫侵染42%。
建立了用虫穗率作为小麦抗红吸浆虫的定级标准, 与传统的以相对损失率作为抗性分级方法相比, 不仅操作简单, 效率大幅提高, 而且在高密度虫口时具有更灵敏和准确的鉴定结果。用虫穗率定级方法对目前我国冬麦区的主栽品种进行吸浆虫抗性鉴定, 未发现抗虫品种。高抗品种荆麦66和高感品种周麦18和邯6172可作为抗性鉴定中的抗、感对照。
致谢: 西北农林科技大学2009届研究生夏鹏亮、河南农业大学2010届研究生郁振兴、华中农业大学2010届研究生陈华爽、河南科技大学林学院的老师和同学参与了田间调查、室内剥穗和数据统计工作, 河南省农业科学院植物保护研究所封洪强博士帮助修改英文摘要, 中国农业科学院作物科学研究所闫长生博士提供了北方冬麦区推广面积在20万公顷品种名录, 在此一并致谢。