西瓜抗枯萎病菌生理小种1与2的 遗传和染色体定位分析

    任毅 焦荻 宫国义 张海英 郭绍贵 张洁 许勇

    目的与意义:西瓜枯萎病是一种世界性的毁灭性土传真菌病害,是导致全球西瓜产量和品质降低的最严重障碍。西瓜枯萎病是由半知菌亚门镰孢属尖孢镰刀菌引起的,研究西瓜抗枯萎病菌生理小种1和2的遗传分析和染色体定位,将有利于高效改良栽培西瓜的枯萎病抗性,为开展西瓜抗枯萎病分子辅助育种提供技术支撑。

    材料与方法:以来自中国优良栽培品种‘97103与美国的栽培品种‘PI 296341-FR杂交的103个重组近交系(RIL)组成的F8群体为实验材料。每个品系挑选生长一致的15株植物,用于枯萎病致病菌接种。其中‘Sugar Baby 和‘Black Diamond作为FON生理小种1(FON-1)感病品种对照,‘Charleston Gray‘Crimson Sweet和‘Calhoun Gray作为FON生理小种1的抗病品种对照。‘Calhoun Gray作为FON生理小种2(FON-2)的感病品种对照,‘SY630作为FON生理小种2的抗病品种对照。结果使用SAS 8.0进行统计分析方差分析(ANOVA)。根据Knapp等人计算H2置信区(CI)。使用SAS在平均基础上计算Pearson在所有环境中的性状之间的表型相关系数。并检测FON生理小种1和生理小种2抗性QTL,以及接种FON-2的SNP标记。

    结果与分析: 接种FON-1和FON-2后,‘97103的发病指数高于‘PI 296341-FR。在RIL群体中观察到FON-2抗性的超亲分离,而未检测到FON-1和FON-2抗性的平均疾病指数的变化,平均疾病指数分别为0.53和0.66。

    FON生理小种1和生理小种2抗性测试中,接种FON生理小种1后,第21天RILs系存活近一半,R:S=1:1,表明FON-1的抗性可能受1个主效QTL的控制。接种FON生理小种2后,RILs系中只有1/4存活,R:S预期比例为1:3,表明FON-2的抗性可能受两个主效QTL的控制。值得注意的是,在FON-2接种后的第21天存活的23个植株中,有16个在接种FON-1后仍存活。因此选择对FON-2具抗性的材料更有意义。

    在‘97103与‘PI 296341-FR群体中检测FON-1和FON-2抗性的QTL,检测到FON-1的1个主要QTL。在1号染色体上检测到的主效QTL(Qfon1.1)位于1bin2(5cM)和1bin3(7.1cM)之间,对于FON-1性状,最大LOD=13.2,解释了48.1%的表型变异。基于单标记分析检测FON-1的最近标记BVWS02309(655,755-655,染色体1上的903 bp)。如同预期,加性效应值表明野生登记亲本‘PI 296341-FR在Qfon1.1基因座上贡献了有利的等位基因。在FON-1中发现的这个主效QTL比之前报道的6.1 cM(染色体1上的2.3-8.4 cM)具有更窄的定位区间(2.1 cM)因此,本研究中报道的标记对于育种者选择FON-1抗性是有价值的。

    在9号染色体上检测到FON-2(Qfon2.1)的第1个QTL位于在9bin8和9bin9之间,最大LOD=3.3,并解释了13.7%的表型变异。 FON-2(Qfon2.2)的第2个QTL位于10bin35和10bin36之间的10号染色体上,最大LOD=3.1,解释了12.5%的表型变异,正如所料,来自野生种质亲本‘PI 296341-FR的等位基因在QTL Qfon2.1对FON-2抗性有贡献,而亲本品种‘97103与检测到的QTL Qfon2对FON-2抗性有关。这种现象表明,RIL群体中FON-2抗性可能发生超亲遗传,这可以解释为什么一些RIL系具有比‘PI 296341-FR更高的抗性。

    抗FON生理小种1的主要QTL区间含有84个基因。其中几种可用于今后对西瓜FON生理小种1抗性的研究。一种受体激酶(Cla004916),一种葡聚糖内切-1,3-葡糖苷酶前体(Cla004990)和3种位于FON-1 QTL和侧翼1M基因组区域的酸性几丁质酶(Cla004914,Cla004920和Cla004921)。在Qfon2.1 QTL区域发现一种脂氧合酶(Cla014845)基因,5种受体样激酶(Cla014853,Cla014955,Cla014972,Cla014725和Cla014728)和4种谷胱甘肽S-转移酶(Cla014674-Cla014677)基因。已知脂氧合酶蛋白参与植物的生物和非生物防御机制(Yan等人,2013),而受体激酶在病原体识别和植物的生长和防御中起重要作用。谷胱甘肽S-转移酶参与谷胱甘肽依赖性解毒途径,其在异生素的解毒中起关键作用。从该结果可以推断,4种谷胱甘肽S-转移酶可能参与赋予对真菌感染的抗性。在Qfon2.2中,存在一种精氨酸生物合成双功能蛋白(Cla017879),2种受体激酶蛋白(Cla017918和Cla017919)和一种脂质转移蛋白(Cla018045)。其中脂质转移蛋白(LTP)基因沉默的转基因番茄植物表现出对枯萎病的疾病易感性降低(Krasikov等,2011)。有趣的是,观察到的症状减轻与已知的植物防御报告基因(PR-1和WIPI)的表达谱改变无关。这项工作表明,脂质转移蛋白是番茄对枯萎病的完全易感性所必需的(Krasikov等,2011)。考虑到亲本栽培品种‘97103与检测到的QTL Qfon2.2的FON-2抗性相关,有可能的是,易感性相关的脂质转移蛋白(Cla018045)的低表达促成了RIL群体中的FON-2抗性。

    使用20个重新测序的西瓜品种测试SNP标记的有效性,所有20个重新测序的种质都与FON-1_Chr1SNP_502124位点的FON-1表型相匹配,表明该标记用于育种计划的准确性很高。虽然20个重新测序序列的种质代表了所有3种类型的西瓜,但重新排序的种群规模并不大;因此,我们在由Black Diamond 和 Calhoun Gray杂交后代231株F2群体中测试了SNP標记。接种FON生理小种1后第21天,F2群体中229株植物的表型与基于SNP标记Chr1SNP_502124的基因型的预测一致,表明该SNP标记可以有效地用于FON-1选择。为了将FON-1抗性性状引入商业杂交品种,使用FON1_Chr1SNP_502124进行标记辅助选择育种程序以选择FON-1抗性。在FON-1_Chr1SNP_502124基因座上含有SY630基因型(杂合子)的所有植物在由中国优良品系KYF 9 SY630杂交产生的61株BC1群体中显示出FON-1抗性。

    结? ? 论: 在‘97103与‘PI 296341-FR群体中检测到的主效QTL(Qfon1.1)比之前报道的6.1 cM(染色体1上的2.3~8.4 cM)具有更窄的间隔(2.1 cM),并开发了FON-1_Chr1SNP_502124分子标记,该标记对于育种者选择FON-1抗性是有价值的。在9和10号染色体上分别检测到一个QTL FON-2(Qfon2.1)和FON-2(Qfon2.2),在Qfon1.1 QTL区域发现1种受体激酶(Cla004916),1种葡聚糖内切-1,3-葡糖苷酶前体(Cla004990)和3种位于FON-1 QTL和侧翼1M基因组区域的酸性几丁质酶(Cla004914,Cla004920和Cla004921)。在Qfon2.1 QTL区域发现一种脂氧合酶(Cla014845)基因,5种受体样激酶(Cla014853,Cla014955,Cla014972,Cla014725和Cla014728)和4种谷胱甘肽S-转移酶(Cla014674-Cla014677)基因。在Qfon2.2中,存在1种精氨酸生物合成双功能蛋白(Cla017879),2种受体激酶蛋白(Cla017918和Cla017919)和1种脂质转移蛋白(Cla018045)。