禾谷镰刀菌在小麦穗部侵染过程的细胞学研究

 采用扫描和透射电镜技术系统地观察了禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)在小麦穗部的侵染过程。接种后6~12 h,分生孢子在小麦穗部的任何部位均可萌发,每个孢子可产生1至多个芽管,新产生的芽管并不立即入侵寄主组织,而是在寄主体表生长扩展;接种后36~48 h观察,小穗颖片、外稃、内稃的内侧和子房的表面形成了密集的菌丝网,然而在小麦穗轴表面、颖片和内稃的外表面,菌丝生长缓慢、分布稀疏,但颖片外表边缘的菌丝可跨越边缘扩展到颖片的内表皮上;接种后36 h,寄主体表菌丝产生入侵菌丝,以直接入侵方式由颖片、外稃、内稃的内侧及子房的顶部侵入寄主组织体内,随后,菌丝以胞间和胞内生长的方式向下扩展;接种后4~5 d,菌丝由上述组织扩展到达穗轴后,在穗轴内沿微管束组织和皮层组织向上和向下扩展,延伸到相邻小花,随菌丝在小麦穗部组织内不断地生长扩展,使得寄主细胞坏死、解体,并最终导致整个麦穗的枯死。     

小麦条锈菌效应蛋白HASP2抑制寄主免疫反应

 由小麦条锈菌(Puccinia striiformis f.sp. tritici,Pst)引起的小麦条锈病是小麦上的重要病害。研究小麦条锈菌在致病过程中分泌的毒性效应蛋白分子的功能,对揭示小麦条锈菌致病机理,进而研发病害防治新方法具有重要意义。前期在小麦条锈菌吸器转录组中筛选到一个高丰度表达的分泌蛋白基因HASP2。HASP2基因全长240 bp,其编码的蛋白质N端包含22_aa的信号肽,无跨膜区,无结构域。qRT-PCR显示HASP2在条锈菌CYR32侵染早期上调表达;农杆菌介导的烟草瞬时表达实验表明HASP2能够抑制由小鼠凋亡蛋白BAX诱导的烟草细胞坏死;利用细菌三型分泌系统(T3SS)将 HASP2在小麦中过表达,发现其可以抑制寄主PTI(PAMP-triggered immunity)相关胼胝质积累;同时对HASP2过表达的小麦接种无毒性菌系CYR23后,发现HASP2可以抑制寄主ETI(Effector-triggered immunity)相关活性氧积累和减少细胞坏死面积,但HASP2过表达对条锈菌的生长发育没有显著影响。     

条锈菌效应子Pst30抑制植物的胼胝质和活性氧积累

 条形柄锈菌小麦专化型(Puccinia striiformis f. sp. tritici,Pst)导致的小麦条锈病严重威胁着我国的小麦生产安全。解析病菌的致病机理,对开发病害防控技术与策略具有重要的指导意义。研究发现效应子是病菌重要的致病因子,揭示效应子调控寄主免疫机制可加深对病菌的认知。本课题组前期在全基因组筛选条锈菌效应子中获得了一个候选效应子基因Pst30,该基因所编码的蛋白N-端含有分泌肽,无明显功能结构域。qRT-PCR分析显示Pst30在条锈菌侵染小麦后12 h诱导表达,72 h诱导表达至高峰。利用农杆菌侵染在烟草中瞬时表达Pst30^ΔSP-GFP融合蛋白,发现Pst30^ΔSP定位在细胞质。在烟草中瞬时表达该效应子能够显著抑制Bax诱导的细胞坏死。利用细菌的Ⅲ型分泌系统在小麦中瞬时表达Pst30,能够抑制荧光假单胞杆菌引起的胼胝质积累,导致由无毒性条锈菌小种CYR23引起的小麦过敏性坏死面积和活性氧积累减少,菌丝面积和长度增加。推测小麦条锈菌效应子Pst30可抑制寄主植物的PTI(PAMP-triggered immunity, PTI)和ETI(Effectors-triggered immunity, ETI),促进自身的侵染。     

基于KASP技术的小麦条锈菌SNP分子标记开发与评价

为开发用于小麦条锈菌Puccinia striiformis f. sp. tritici群体遗传研究的竞争性等位基因特异性PCR-单核苷酸多态性(kompetitive allele specific PCR-single nucleotide polymorphism,KASPSNP)标记,以中国小麦条锈菌流行小种CYR32的基因组为参考,与美国小麦条锈菌流行小种PST78和印度小麦条锈菌流行小种38S102的基因组进行比对,根据比对到的SNP位点设计KASP-SNP引物,用64个中国小麦条锈菌标样对其进行筛选,同时用13对多态性引物组成的简单重复序列(sim‐ple sequence repeat,SSR)分子标记分析这64个标样,并利用Powermarker 3.25和Structure 2.3软件通过多态性指数和群体遗传结构分析来评价KASP-SNP和SSR两种分子标记。结果显示,共比对到29 929个SNP位点,设计出462对KASP-SNP引物,经64个中国小麦条锈菌标样筛选到43对多态性较好的引物,所开发的这43对KASP-SNP引物多态性信息含量指数平均为0.346,基因多样性指数平均为0.420,而SSR引物的2种指数分别为0.237和0.265,前者较后者分别高出46.0%和58.5%。2种标记结果的群体遗传结构分析可得到类似结果,最佳聚类数K值都为4,云南菌系是遗传结构相对最简单的菌系,湖北菌系是遗传结构相对最复杂的菌系,但个别菌株的遗传划分存在较大差异。表明本研究开发的KASP-SNP分子标记多态性较SSR分子标记更加丰富,具有较好的应用前景。     

小麦种质P10078的成株期条锈病抗性特征及遗传规律

为明确小麦抗病种质P10078的抗条锈病特征及抗病遗传规律,利用4个小麦条锈菌小种CYR32、CYR33、V26/CM42和Sull-7对P10078进行了苗期分小种鉴定,并分别在陕西杨凌人工接种病圃和甘肃天水自然诱发病圃连续多年对P10078与感病品种铭贤169及其杂交后代(F_1、F_2、F_(2∶3))进行成株期抗条锈病鉴定。结果发现,P10078苗期对CYR32、V26/CM42表现为感病(IT:7~8),对V26/CM42和Sull-7表现为抗病(IT:2),成株期对混合小种表现为高度抗病(IT:1,S:1%),表明P10078为包含全生育期抗病基因的成株期抗病品种;F_2抗感分离比为3∶1,F_(2∶3)抗感分离比为1∶2∶1,表明P10078成株期抗性由一对显性主效基因控制。P10078所含抗条锈基因为未知抗性基因。     

小麦条锈菌对三唑酮敏感性生测体系优化及其抗药性分子标记开发

条锈病是小麦上重要的真菌病害，严重威胁小麦的生产安全，施用杀菌剂是防治小麦条锈病的重要措施。三唑酮是防治条锈病的主要药剂，但长期单一、大规模使用三唑酮势必导致病原菌抗药性出现，由于小麦条锈菌是严格的专性寄生菌，目前测定条锈菌对杀菌剂的敏感性实验主要在活体小麦上进行，实验结果易受外界环境影响。本研究通过培养皿内离体小麦叶段培养，采取定量接种和软件读数的方法，对2021年西北核心越夏区60个小麦条锈菌菌株进行三唑酮敏感性测定，生测结果表明供试菌株平均EC₅₀值为0.543μg·mL^-1,抗性菌株7株，敏感菌株53株，11.67%的供试菌株对三唑酮具有低至中等水平抗性，分子标记结果与生测结果高度吻合。本研究通过优化三唑酮对条锈病防治效果的室内生测体系，使得结果更加稳定、重复性好，同时基于敏感/抗药菌株靶标基因序列分析开发了高通量的抗药性竞争性等位基因特异性PCR-单核苷酸多态性分子标记(KASP-SNP),旨在为防治小麦条锈病筛选高效杀菌剂，同时开展田间小麦条锈菌抗药性监测，了解抗药性分布及抗性水平，为小麦条锈菌抗药性综合治理提供科学依据。     

小麦锈病组织荧光染色技术

近年作者通过对小麦条锈病的组织病理学研究发现,组织荧光染色技术(R.Rohringer 1970)是研究锈菌与其寄主之间相互关系的较为理想的方法,现将该方法的染色程序简介如下,以供参考。 将锈菌夏孢子与滑石粉按1:10比例混匀,用毛笔将孢子粉涂于未脱蜡的麦叶表皮上,然后按常规方法保湿24小时。     

小麦抗条锈基因Yr52在品种改良中的应用

【目的】 评价小麦高温成株期（high temperature adult plant,HTAP）抗条锈病基因Yr52在生产中的应用价值,选育出农艺性状优良并高抗小麦条锈病品系,为充分利用现有高温成株期抗病资源、提高相关产量性状奠定基础。【方法】 通过回交和自交结合分子标记辅助选择育种方法,将小麦抗条锈病基因Yr52转育到轮选987（LX987）、百农矮抗58（AK58）和邯6172（H6172）中。在四川绵阳和陕西杨凌鉴定圃,用小麦条锈菌流行生理小种CYR32、CYR33和CYR34混合侵染,鉴定抗病基因载体品系和受体品种以及它们的高代家系的成株期抗病性。比对中国春参考基因组,结合Yr52两翼SSR分子标记Xcfa2040（6.8 cM-Yr52）和Xbarc182（1.2 cM-Yr52）,在目标基因物理区间内寻找35K SNP芯片标记,并开发成dCAPS和KASP分子标记,对BC₂F_5:6高代群体进行抗条锈病基因Yr52的检测。【结果】 抗病性鉴定和农艺性状评价表明,在19个具LX987背景的BC₂F_5:6家系中,抗条锈性表现为高抗（IT=0—3,DS=1%—20%）有11个,中抗（IT=4—6,DS=15%—30%）有8个,平均千粒重（TKW）、每穗穗粒数（KPS）、单株有效分蘖（PTN）、株高（PH）和穗长（SL）分别为45.33 g、46粒、7个、113.26 cm和10.05 cm。4个具AK58背景BC₂F_5:6家系全部表现高抗（IT=0—3,DS=5%—25%）;平均TKW、KPS、PTN、PH和SL分别为44.67 g、48粒、7个、96.54 cm和10.17 cm。5个具H6172背景的BC₂F_5:6家系全部表现高抗（IT=0—3,DS=5%—20%）;平均TKW、KPS、PTN、PH和SL分别为43.74 g、49粒、8个、109.72 cm和10.06 cm。分子标记检测结果表明,Yr52两翼连锁的分子标记Xbarc182、Xcfa2040和Xwmc557在后代群体中的检出率分别为78.57%、66.67%和66.67%,并成功开发出1个dCAPS标记Xdcaps-Yr52-1和1个KASP标记Xkasp-Yr52-1,两者在群体中的检出率分别为73.68%和41.67%。通过比较高抗（IT=0—3）与中抗（IT=4—6）水平家系的农艺性状,结果表明,IT在0—3的家系平均TKW（P>0.05）、PTN（P>0.05）和KPS（P<0.05）高于中抗水平的家系。结合各亲本抗病性和农艺性状筛选出PH为80—105 cm、PTN≥6个、KPS≥45粒、TKW≥42 g、SL≥8 cm的材料共5份。【结论】 Yr52仍对当前主要流行小种具有成株期抗性;将Yr52导入中国主栽感病小麦品种中,选育出综合抗病性和农艺性状良好的高代材料可用于培育多基因聚合的品种,丰富抗病基因的多样性,并实现持久利用。     

小麦条锈病跨区域全周期绿色防控技术体系的构建与应用

小麦条锈病是我国小麦生产上一种跨区域流行的重大病害。1949年以来, 我国小麦条锈病研究, 治理能力明显提升, 发病面积、流行程度、流行频率明显降低, 但由于条锈菌Puccinia striiformis f.sp. tritici新毒性小种不断产生和气候异常变化等因素的影响, 近年来其流行规律和成灾机制出现了新的变化, 发生危害加重, 严重威胁小麦生产和国家粮食安全。基于“十二五”以来我国在小麦条锈病菌毒性新小种产生、有性生殖、侵染循环和大区流行规律等方面的最新研究成果, 作者在学习和实践以往病害治理经验的基础上, 坚持长短结合、标本兼治、分区治理、综合防治的指导思想, 制定了“以绿色防控为基础, 以全周期管理为重点, 以跨区域联防联控为保障”的防控策略, 提出了精准监测预报、毒性小种变异监测、早期菌源控制、抗病品种合理布局和应急防控等关键技术, 集成构建了全国小麦条锈病跨区域全周期绿色防控技术体系, 制定了越夏易变区、冬季繁殖区(越冬区)和春季流行区分区防控技术体系。经在小麦条锈病主要流行区大面积试验示范, 取得了防控效果85%以上, 化学农药用量减少10%以上, 小麦单产提高5%以上的成效。2022年-2023年在全国小麦主产区大范围组织推广应用, 有效控制了小麦条锈病严重流行势头, 全国病害发生面积出现了新低, 有效减轻了灾害损失, 保障了国家粮食安全。