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甜瓜白粉病抗性遗传育种研究进展

花匠小妙招
2024-11-08 20:46

甜瓜白粉病抗性遗传育种研究进展
Research Progress on Resistance Genetic Breeding of Melon White Powder Disease

1. 引言

甜瓜属葫芦科黄瓜属作物，甘甜可口，风味芳香，是餐后的高档果品，故多年稳居国际市场十大畅销果品之列。近年来，随着国内人们生活水平的迅速提高和甜瓜生产的发展，甜瓜既是馈赠亲友的高档礼品，又是大众喜食的水果之一。白粉病是甜瓜生产中三大病害之一，其发病、传播速度极快，使得甜瓜产量和品质严重下降。甜瓜白粉病是世界性病害，在中国无论南方、北方产瓜区都有发生，对我国甜瓜生产构成严重威胁，造成巨大的损失；白粉病在国外，也是甜瓜首先要防治的病害。尽管白粉病可采用化学防治，但由于危害甜瓜白粉病的生理小种较多，分化快，化学药剂很难十分有效地保证甜瓜的无公害生产。马英元(2011)从高抗白粉病的甜瓜品种植株内分离筛选出对甜瓜白粉病有较好防效的内生拮抗细菌菌株，为甜瓜白粉病生物防治探寻新途径 [1]。因此，培育抗白粉病品种是一项最基本的有效措施，世界各瓜类生产国都十分重视对其抗病性的研究及育种工作。国外有关瓜类白粉病的研究起步于20世纪20年代，但在我国对其研究相对落后。世界上第一个甜瓜抗病品种PMR45，就是美国加利福尼亚针对甜瓜白粉病的普通严重危害利用印度资源于1936年育成的 [2]。现就甜瓜白粉病菌的种类、特征、分布、生理小种的分化及鉴别寄主，甜瓜白粉病抗性基因及其遗传，甜瓜白粉病抗病种质资源，甜瓜白粉病抗性遗传、抗性鉴定及分子标记辅助育种等方面的研究进展进行简要综述，旨在为甜瓜抗病品种的培育提供借鉴。

2. 白粉病菌的种类、特征及分布

2.1. 白粉病菌的种类与特征

甜瓜白粉病由子囊菌亚门白粉菌科白粉菌属的二孢白粉菌(G. cichoracearum DC)，和单丝壳属的S. fuliginea (schlecht.) poll.真菌引起的。由于它们很少发生有性世代，企图按闭囊壳和子囊、子囊孢子来鉴定种就十分困难。通常采用无性世代的分生孢子特征来区分上述两种病原菌(图1，表1) [3] [4]。

2.2. 甜瓜白粉病菌的分布

甜瓜白粉病菌在不同国家和地区分布并不相同。在西班牙、巴西、阿根廷、埃及、色雷斯、荷兰和日本，甜瓜白粉病的病原菌只有S. fuliginea [5] [6] [7] [8]。在澳大利亚、南非、罗马尼亚、土耳其、意大利、保加利亚、伊拉克和法国，S. fuliginea是主要致病菌 [6] [9] [10]。在捷克、希腊、斯洛伐克、俄罗斯和南斯拉夫以G. cichoraceacum为优势病原菌 [5] [6]。在美国、匈牙利存在上述两种病原菌。白粉病菌在世界其他地区的分布也不尽相同。

程鸿(2011)报道台湾仅有P. xanthii存在 [11] ；S. fuliginea是引起新疆白治区、杭州市和北京市甜瓜白粉病的主要病原菌 [8] [10] [12]，北疆为生理小种1，南疆为生理小种5 [13]，郑州、江浙沪为生理小种1 [14] [15] [16] ；吉林有两个生理小种：1和2F，且2F为主要小种 [17]，较大范围为生理小种1。从总体上来看，S. fuliginea在世界范围内分布更为广泛，且破坏性更强。

(a): Conidia of S. fuliginea (b): Conidia of G. cichoracearum

Figure 1. Conidia characteristics of two muskmelon powdery mildew fungi

图1. 两个种甜瓜白粉病菌的分生孢子特征

特征

G. cichoracearum

S. fuliginea

用3%KOH制片时分生孢子毡绒层

有

无

分生孢子牙管有无分杈

不分杈

5%~60%分杈

Table 1. Conidia characteristics of two muskmelon powdery mildew fungi

表1. 两个种甜瓜白粉病菌的分生孢子特征

3. 甜瓜白粉病菌的生理小种的分化及鉴别寄主

3.1. 甜瓜白粉病菌的小种分化

目前基本明确我国甜瓜白粉病的主要病原是单丝壳属的S. fuliginea，而S. fuliginea又包含很多生理小种，至今已发现存在11个生理小种，分别是0、1、2 (包括：2US和2France)、3、4、5 [10] 和N1、N2、N3、N4；G. cichoracearum有2个生理小种0和1。甜瓜白粉菌的小种分化多，演替快，世界不同地区甜瓜白粉病病原菌主要生理小种分布也不同，且在同一地区白粉病流行的生理小种可能受环境条件影响而发生转变 [18]。西班牙报道过S. fuliginea的生理小种1、2 [6]，在以色列发现存在生理小种1、2、3 [19] ；在苏丹出现S. fuliginea的小种1和2；在法国发现生理小种4、5 [20] ；徐志豪(1999)等发现引起我国杭州地区甜瓜春季白粉病的生理小种为S. fuliginea的小种2 [10] ；王娟等(2006)初步确定引起北京地区瓜类白粉病的为S. fuliginea的生理小种1和2 France，优势生理小种为2 France [8] ；林德佩(2011)通过鉴定明确引起新疆昌吉地区甜瓜白粉病的病原菌是S. fuliginea的生理小种1 [12] ；刘东顺等(2010)认为甘肃甜瓜主产区造成白粉病的优势生理小种是S. fuliginea中的race1 [21] ；赵光伟等(2012)发现引起郑州地区的甜瓜白粉病病菌是S. fuliginea中的race1，为优势生理小种 [14] ；张成花(2012)研究发现造成上海地区甜瓜白粉病的病原菌为S. fuliginea中的race1和2France [16] ；张波等(2011)认为造成吉林省薄皮甜瓜白粉病的生理小种分别是S. fuliginea中的race1和2France，但优势生理小种却为2France [17] ；李苹芳等(2015)研究得出S. fuliginea中的race1是导致江浙沪地区甜瓜白粉病的发病原因 [15] ；海南三亚地区的白粉病生理小种是race1和2Frace，其优势生理小种是2France [22] ；张慧君(2017)报道淮北地区甜瓜白粉病菌的病原种为(S. fuliginea)，且其生理小种为小种1 [23]。所以就全国大部分地区甜瓜白粉病生理小种的研究而言，S. fuliginea中的race1出现的概率最大 [12]。马鸿艳等(2011)研究报道，2008年黑龙江省引起葫芦科白粉病病菌是2F生理小种，但在2009~2010年为优势生理小种为１号，且并未发现2F号生理小种 [24]。存在1号生理小种与2F生理小种并存的现象，同时不同年份交替发生。

3.2. 甜瓜鉴别寄主及其抗感反应

为了鉴别不同的白粉病生理小种，目前已经确定了国际公认的13个白粉病病原菌生理小种鉴别寄主，包括Ira2nH、Vedrantais、T opmark、PMR 5、PMR6、PMR45、WMR 29、PI 124111、PI 124112、PI414723、Edisto 47、MR-1、NantaisOblong [10] [25] [26] [27] [28]。通过这些鉴别寄主的抗感反应可以确定白粉病菌的生理小种(表2)。

鉴别寄主

生理小钟

S. fuliginea

E. cichoracearum

2US

2Fr

Iran H (伊朗)

Topmark (美)

PMR45 (美)

PMR6 (美)

PI124111

#VALUE!

PI124112

PI414723

PMR5 (美)

Nantais oblong (法)

WMR 29 (美)

Edisto47 (美)

MR-1 (美)

Vedrantais (法)

Table 2. Identification of Resistance Response of Muskmelon Powdery Mildew to Different Physiological Races

表2. 甜瓜白粉菌鉴别寄主对各生理小种的抗感反应

备注：S——感病，R——抗病，H——杂合，-为无，美——美国，法——法国。

4. 白粉病的抗性基因及其遗传

4.1. 抗病基因

世界上对甜瓜白粉病抗性遗传的研究较早，1937年，美国农业部加州实验站Jagger等发现第1个甜瓜白粉病抗性基因Pm-1，科研工作者们又从不同的抗病种质资源中陆续发现不同的抗性基因。迄今为止已发现的甜瓜白粉病抗性基因有Pm-1、Pm-2、Pm-3、Pm-4、Pm-5、Pm-6、Pm-A、Pm-B、Pm-C1、Pm-C2、Pm-D、Pm-E、Pm-F、Pm-G、Pm-W、Pm-X、Pm-H，且全部是显性基因。

4.2. 甜瓜抗白粉病遗传

甜瓜不同抗性材料中含有的白粉病抗性基因在遗传位点、生理小种的抗性、遗传机制和抗病机理等方面都有所差异。甜瓜抗白粉病的遗传模式也存在不同的观点，包括单显性基因、不完全显性基因、双基因、多基因和修饰基因。关于甜瓜对白粉病的抗性遗传，近年来的报道大部分支持单显性基因控制这一理论，认为属简单遗传。如有人推测Pm-A与Pm-1；Pm-B与Pm-2是独立遗传的 [7] ；有的存在互作关系，如Pm-1与Pm-2以及Pm-E与Pm-2之间存在互作关系 [29] ；有的为等位基因，如Pm-C1和Pm-C2是等位基因 [9] ；Pm-W、Pm-X、Pm-E、Pm-F、Pm-G和Pm-H，Pm-1、Pm-2、Pm-3、Pm-4、Pm-5和Pm-6的等位与连锁关系的研究尚不清楚 [30]。

从已有的文献报道看，对甜瓜白粉病的抗性遗传研究结果并不完全一致。张学军(2013)以抗病资源收集一号和感病农家品种皇后杂交的六个世代为材料，抗性鉴定，并利用集团分离分析法结合SRAP标记进行连锁分析 [31]。结果表明，收集一号对白粉病Podosphaera xanthii生理小种1的抗性由显性单基因控制。虽然多数报道认为甜瓜白粉病的抗性属于简单遗传，但仍有一些令人费解的现象。Epinat等(1993)发现在 PMR 5 ×Vedrantais 的 F2群体中出现抗病：中抗：感病 = 9:6:1的特殊比例 [32]。甜瓜品种IranH是一个普遍感病的寄主，但对G. cichoracearum和两个混合菌株却产生抗性和不完全抗性的现象 [25]。还有不少报道指出，不同甜瓜品种(包括F1代)对白粉病的抗性不同，同一杂交群体，有的植株表现抗病，有的植株表现感病 [33] ；还有的出现抗病性分离，并呈现发病程度的连续性变异 [30]，李冰等(2017)研究表明“MR-1” (抗)对生理小种1的抗性是由单显性基因控制 [34] ；张学军等(2013)利用抗病材料“收集一号”也得出其对生理小种1的抗性由显性单基因控制 [31] ；陈贵林等(2005)研究表明抗病材料“1A151”对生理小种1的抗性由一对不完全显性基因控制 [35] ；宁雪飞等(2013)研究表明抗性品种“PMR45”，“KM7”对生理小种1的抗性符合单显性基因的遗传 [36] ；陈静等(2014)认为抗病“WMR-29”对生理小种1的抗性由两个显性基因控制 [37] ；咸丰等(2011)实验得出抗病“云甜-930”对生理小种2F的抗性由两对加性–显性–上位性，主基因–加性显性–上位性多基因控制，同时也受环境变异的影响 [38] ；程振家等(2006)研究得出抗病“7-2”对生理小种1抗性由两对主基因控制且表现为加性–显性–上位性效应 [39]。同时，根据Flor提出的基因对基因这种解释植物垂直抗性的学说，对于由单一或少数基因控制的抗病性，即使是病原菌生理小种发生变异，也不可能出现发病程度的连续性变异 [40]。因此，甜瓜白粉病的抗性遗传，需要对不同的抗源分别研究利用，同时一定要注意生理小种。

4.3. 抗白粉病甜瓜种质资源

4.3.1. 野生甜瓜抗白粉病种质资源

美国十分重视野生植物抗病种质资源的征集和研究，早在20世纪20年代起，美国农部就从国外，尤其是印度，引进抗白粉病菌的种质资源。详细如下：Calf525、PI79374、PI115908、PI115935、PI124111、PI124112、PI134192。比较重要并经常在抗病育种中使用的是PI124111和PI124112 [2]。

4.3.2. 栽培甜瓜抗白粉病种质

世界各国育成的抗白粉病栽培甜瓜品种很多，但在育种上使用的抗病种质大多为美国近半个世纪育成的栽培品种：PMR45、PMR6、Seminole、PMR-5、Nantais oblong、WMR-29、MR-1、Perlita [2]。

5. 甜瓜白粉病的抗性鉴定及分子标记辅助育种

开展甜瓜抗白粉病品种选育，必然涉及对白粉病抗病性的鉴定。从已有的报道看，进行白粉病抗病性鉴定的寄主材料一般采用幼苗或离体圆叶片，病原物的接种采用孢子悬浮液接种法 [41] 和风媒(气流)接种法 [42]。但是，在甜瓜白粉病抗性鉴定中有两个较复杂的问题：一是白粉病病原菌只能采用活体保存，不能进行离体保存，这给白粉病抗病性鉴定带来不便；二是由于只能采用活体保存白粉病的病原菌，使得接种时或病原菌获得后难以进行病原菌生理小种的鉴定，从而只有在借助鉴别寄主的条件下，确定白粉病病原菌是一个生理小种还是两个或更多个生理小种，这样，鉴定结果将受白粉病病原物的影响。这可能是在甜瓜白粉病抗性鉴定、抗性遗传研究结果中出现不同观点的原因之一。

鉴于上述问题，近年来，一些研究者开始采用分子标记辅助育种的手段开展甜瓜抗白粉病品种的选育研究，以提高抗病育种效率 [43]。利用与甜瓜白粉病抗性共分离的分子标记可以对甜瓜的基因型进行准确的选择。根据抗白粉病基因的已知序列或者与抗白粉病基因紧密连锁的分子标记的序列设计特异性引物，通过PCR反应对该基因的有关区域进行特异性扩增，进而可以准确地筛选抗病甜瓜植株 [44]。目前,在甜瓜抗病育种中常用的标记方法有 RFLP、RAPD、AFLP、SSR、SRAP、CAPS等(见表3)。

实验方法

标记

连锁的抗性基因

出处

RAPD

pUBC411

QTL位点

McGrath M T 2001 [45]

RAPD

RAPD-S329

王建设等2005 [42]

AFLP

M75/H35-155

Par 1

Teixeira A P M et al. 2008 [46]

AFLP

E42M50

对PX-1,2,5小种有抗性的基因

Yuste-Lisbona F J 2008 [47]

AFLP

E38M82

对PX-1,2,5小种有抗性的基因

Yuste-Lisbona F J 2008

AFLP

M60/E25-520

王怀松等2009 [48] ；程振家2006

SSR

CMBR120

对PxA有抗性的QTL位点

Fukino N et al. 2008

SSR

CMBR8

对PxA有抗性的QTL位点

Fukino N et al. 2008 [49]

SSR

CMBR111

对PxB有抗性的QTL位点

Fukino N et al. 2008

SSR

CMBR120-172

Par2F

张海英等2008 [50]

SSR

CMBR8-98

Par2F

张海英等2008

SSR

CSAT42598

PMR5抗性基因

王强2009 [51]

SSR

SSR04816

对PX小种1有抗性的基因

马鸿艳2011

SSR

SSR01498

对PX小种1有抗性的基因

马鸿艳2011

RGA

RPW

ParAN

Wang X et al. 2011 [52]

RGA

MRGH63B

ParAN

Wang X et al. 2011

SRAP

me46em51

—

赵光伟等2010 [53]

SRAP

me3em6

—

赵光伟等2010

CAPs

李冰2017 [34]

Table 3. Molecular markers linked to powdery mildew resistance genes in Melon

表3. 甜瓜白粉病抗性基因连锁的分子标记

Wang等对Ano2 × Hami413和Ano2 ×Queen 2杂交组合，包括SSR标记、GRA标记和AFLP标记，在抗病材料Ano2中定位出抗病基因Pm-AN。王建设等(2005)以1A151(抗) × 恒进红瓤酥(感)构建6个世代群体，运用RAPD分子标记结合抗性遗传分析找到1个由1对不完全显性抗病基因控制的抗病位点S329，其遗传距离为6.81 ± 1.67 cM。Yuste-Lisbona等利用AFLP对抗病材料TGR-1551和感病材料Bola de Oro配制杂交组合构建分子标记体系，构建出1张包含14个连锁群的遗传图谱，定位主效QTL位点Pm-R第五连锁群上 [47]。Teixeira等使用AFLP法在抗病材料AF426-R中找到与抗病基因Pm-1距离为4.9 cM 的分子标记M75/H35-155 [46]。Fukino等利用高抗AR5和高感Harukei配制重组自交系，定位抗病基因于第II和第VII染色体连锁群上。Liu等在抗性材料PI 134198中发现了1个单显性抗性基因，并且在距离该基因3.9 cM处获得了1个SRAP标记。Ning等用抗病材料Edisto47和感病材料Queen构建BC1群体，发现抗病基因Pm-Edisto47-1在SSR标记CMGA36和SSＲ252089之间，与两标记距离均为2.1 cM。艾子凌(2016)研究发现抗病材料MR-1所含有的甜瓜白粉病基因为单显性基因。×Topmark (感病)所构建的F2代群体进行分析，检测到1个与白粉病抗性有关的位点，位于7号染色体上，距离上端7-4E标记17.00 cM，距离下端7-1H标记12.35 cM，为今后甜瓜白粉病抗性基因的精细定位及克隆奠定了基础 [54]。由此可见使用抗病材料不同也会导致抗病位点不同。法国perin等完成了品种Védrantais × PI 161375和Védrantais × PI 414723杂交组合形成的重组自交系，并将Pm-x定位于第II连锁群，Pm-w定位于第V连锁群，nsv与Pm-y定位于第XII连锁群 [55]。法国Perchepied等通过PI 124112×Védrantais杂交产生的群体，经数量性状作图，表明2个独立的基因对甜瓜白粉病均具有抗性，分别位于第II、V连锁群，并且可能与Pm-x和Pm-w一致 [56]。日本Fukino绘制了AR5 × Earl’s Favourite遗传群体的抗白粉病基因的QTL遗传图，分别在第Ⅱ与第Ⅻ连锁群发现抗白粉病位点，也可能与Pm-X和Pm-y一致 [49]。韩瑞(2013)前期已利用抗病材料AN分别与新疆甜瓜感病品种“皇后”、“K413”建立杂交遗传群体，并将该抗白粉病基因定位在第Ⅴ连锁群，位于2个共显性分子标记AF与CA之间，这个抗病基因可能与Pitrat发现的第V连锁群的Pm-w相同 [57]。王贤磊(2014)以甜瓜白粉病抗性品种PMR5，感病甜瓜“伽师”的杂交F1以及BC1、BC2分离群体为试材，接种白粉菌生理小种1，利用SSR分子标记方法，共有11个位于LGII的SSR分子标记与抗白粉病基因连锁，抗病基因位于标记CMGA36和SSR25208之间约104 - 113 bp [58]。李冰(2017)以甜瓜高抗白粉病自交系MR-1为母本，易感白粉病自交系Top Mark为父本，构建BC1P2和F2群体，用生理小种1感染，甜瓜MR-1对P. xanthii生理小种1的抗性由单显性基因控制。通过CAPS标记分析，将抗病基因PXR定位在第12号染色体上M12-GH和M12-TE 2个标记之间，4个基因MELO3C002434、MELO3C002437、MELO3C002441、MELO3C002457为甜瓜白粉病抗病候选基因 [34]。宁雪飞(2013)利用SSR (Simple Sequence Repeat)分子标记技术，对甜瓜抗性基因进行定位。结果：① 抗性亲本PMＲ45和Km7符合单显性基因的遗传规律抗性亲本Edisto47和红心脆(HXC)均不符合单基因遗传规律，其中Edisto47构建的群体符合双基因的遗传规律② 抗性亲本PMR45和Km7的抗性基因定位于LGII。抗性亲本HXC含有两个抗性基因位点，位于LGV和LGXII上 [59]。王晓娟(2012)以甜瓜抗白粉病品种‘PMR5’、感病品种‘黄河蜜3号’及其杂交的F2代群体为材料，采用SSR标记筛选标记并定名为CSAT42598 [60]。

分子标记还应用于甜瓜白粉病致病菌S. fuliginea和E. cichoracearum的遗传多样性分析。检验葫芦科白粉病病原菌群体的遗传差异、致病性和交配类型等。Bardin等(1997)对来自不同国家地区、不同寄主、生理小种分别是0、1、2的28个S. fuliginea菌株进行毒性差异、交配类型及DNA多态性的测验。1994年Bardin等还对法国5个地区、不同寄主、生理小种分别是0、1的41个E. cichoracearum菌株的遗传结构、致病力、交配类型进行ITS-RFLP、RAPD标记分析，对白粉病致病菌的致病性有更深层次的认识 [61]。目前，已经有5种白粉病菌进行了基因组测序 [62]。

6. 研究方向

国外学者对甜瓜白粉病抗性的相关研究为深入开展甜瓜抗白粉病品种选育研究奠定了基础。从抗性育种工作开展以来，科研工作者在甜瓜种质资源中发现对白粉病有抗性的甜瓜种质，主要来源于印度野生资源。然而，目前的抗性品种选育仍旧依靠传统杂交育种，对表型选择有局限性，历时周期长，育种工作进展慢。随着分子生物学的发展，甜瓜抗病基因技术日益成熟，分子标记技术，作为基因定位和辅助育种的高效方法，能实现对子代基因型进行直接与准确地检测，是一种甜瓜品种改良的安全且高效途径。研究甜瓜抗白粉病的遗传规律，精细定位抗性基因，研究人员需统一接种方法，统一材料，统一系统标准，其结果才可以相互借用。不同材料会有不同的抗病机制，一定要大力发掘资源，接种不同生理小种，才能全面了解。与国外相比，我国甜瓜作物白粉病的研究起步晚、基础差，今后需要充分利用国外研究成果，利用已有的抗源，采用多亲复合杂交育种方法，结合苗期人工接种鉴定筛选，培育抗白粉病多个生理小种、综合经济性状优良的甜瓜品种。生物技术不仅能加快抗白粉病育种进程，而且给生理小种的鉴定带来了新的曙光。发掘抗白粉病基因，寻找其紧密连锁的分子标记，采用分子标记辅助选择技术，将多个抗白粉病的基因高效转入当前甜瓜的主栽品种，以提高我国甜瓜抗病育种水平。

致谢

天津市蔬菜现代农业产业技术体系岗位创新项目(ITJVRS2017005)、甜瓜高效栽培技术的应用研究(17ZXBFNC00200)、天津市科技重大专项与工程项目(16ZXHLNC00070)资助。