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摘要 玉米穗粒腐是我国各个玉米产区都有发生的一种危害性很大的真菌性病害,已对我国玉米生产造成了很大的威胁。对玉米穗粒腐的分布与危害、病原菌、病害循环和抗性遗传研究等方面进行详细的介绍,并对玉米穗粒腐病的抗病育种进行展望。
关键词 玉米穗粒腐病;抗性遗传;育种;研究进展
中图分类号 S435.131 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2014)21-0121-02
1 分布与危害
1946年,Ullstrup在美国首次报道了由Botryosphaeria zeae引起的玉米灰色穗粒腐病[1]。随后,于1978年在南非也发现该种穗粒腐病[2]。1982年Kumar在印度的卡纳塔克邦发现了由Trichoderma viride引起的玉米灰色穗腐粒病[3]。目前,玉米穗粒腐病已成为世界各地玉米种植区的一种严重的真菌性病害。玉米穗粒腐病不仅会造成果穗腐烂而导致直接减产,而且有些病原菌能产生大量有害毒素,严重威胁人类和动物的健康和生命安全[4]。在我国,玉米穗粒腐病的发生和危害越来越严重,在一般年份,其发病率为10%~20%,严重年份可达30%~40%,感病品种的发病率达50%左右[5]。
2 病原菌
玉米穗粒腐病的致病菌十分复杂,研究发现串珠镰刀菌(Fusarium moniliforme)、禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)、赤霉菌(Gibberella fujikuroi)、蠕孢菌(Helm inthosporium sp)、粉红聚端孢菌(Trichothecium roseum)、曲霉菌(Aspergilllus spp)、青霉菌(Penicillium spp)等在内的20多种病原菌都能引起病害发生[6]。国外主要以禾谷镰刀菌和赤霉菌为优势种,而国内主要以串珠镰刀菌为优势种,禾谷镰刀菌为次优势种[7]。1987年潘惠康首次报道我国玉米穗粒腐病的主要致病菌是串珠镰刀菌[8]。2005年刘元春等对河南省玉米杂交种穗粒腐病病原菌进行了分离鉴定,结果表明病粒中串珠镰刀菌的带菌率最高,分离频率为59.61%[9]。2007年陈广泉对河西走廊玉米穗粒腐病的病原菌进行了分离,结果表明在分离到的8种病原菌中串珠镰刀菌和禾谷镰刀菌的分离率最高,分别为50.6%和40.3%[10]。
3 病害循环和症状
玉米穗粒腐病的病原菌主要是在发病的种子和病残体上越冬,成为下一季的初始侵染源[11]。病菌孢子借助风雨传播,主要从玉米的伤口和花丝侵入,通过气流和雨水进行进一步的传播和扩散。此外,病菌也可以由根部开始侵染,然后经过茎传到玉米果穗[12]。玉米穗粒腐病通常发生在玉米的生长后期,一般从吐丝到收获的过程中均有可能发病,但是发病的盛期为吐丝到吐絲后的3周内[7]。
目前,生产上发生的玉米穗粒腐病主要危害玉米的果穗,一般从果穗的顶部或基部发病,造成大片或者整个果穗腐烂,病粒皱缩、无光泽、不饱满[13]。引起该病的病原菌不同,引起的症状也存在一定程度的差异。由串珠镰刀菌引起的穗粒腐病表现为只有个别或者局部的籽粒感病,病粒易破碎。病粒上覆1层粉红色霉状物,有时候也会长出橙黄色的点状黏质物[11]。由禾谷镰刀菌引起的穗粒腐病引起受害早的果穗全部腐烂,病穗的苞叶与果穗粘结在一起,之间生有1层淡紫色至浅粉红色的霉层,有时候病部还会出现蓝黑色的小粒点。果穗顶部变为粉红色,籽粒间生有红色至灰白色菌丝[11]。其他病原菌引起的症状也各有差异。
4 抗源鉴定
选育抗病品种是防治玉米穗腐病最为有效的措施,因此国内外的很多工作者进行了玉米穗粒腐病的抗源筛选工作。2002年陈 威等通过人工接种串珠镰刀菌,对90份玉米自交系进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,从中筛选出了15份高抗材料和27份中抗材料。其中郑32、四一、沈137、P136、P138、BT、SL2169、CN157、金皇59、488、鲁原92、S22、Pa405、KB25等15份自交系玉米穗粒腐病发病籽粒数少于3%,为高抗材料;8112、200、获唐黄、785、HB44、178等27份材料的玉米穗粒腐发病籽粒数在4%~10%,被鉴定为中抗材料[14]。2006年潘惠康等对1 216份材料进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,结果表明,甜玉米最易感病,硬质的高赖氨酸玉米材料的抗病能力较强,粉质的高赖氨酸玉米材料的抗病能力相对较差。糯玉米、爆裂玉米和高油玉米的抗病性强于其他类型的特用玉米。此外,普通玉米自交系和杂交种是比较抗病的,而且杂交种比自交系具有更好的抗病性[15]。2007年王丽娟对178份玉米自交系和15份杂交种进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,结果表明,高抗的材料只有X178,沈137、4F1、齐319、吉465、海014、东156等34份材料表现为抗玉米穗粒腐病,CA339、吉4112、CD14、黄早四、郑58、K12等89份材料表现为中抗[16]。Campbell等也进行了玉米抗穗粒腐病的抗源筛选工作,结果表明Tex6、Y7、Mp420以及它们的F1均对曲霉菌引起的玉米穗粒腐病具有很好的抗性[17]。Reid等对玉米的一些玉米的杂交种和包括6个优质蛋白玉米自交系通过人工接种3种禾谷镰刀菌菌株的方法进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,结果表明,2个自交系(CO272和CO325)和1个杂交种(Pride K127)对3种菌株都表现出较强的抗性[18]。
5 遗传机理研究
选育和种植高抗的玉米品种是防治玉米穗粒腐病最有效的措施,而将抗性的基因QTL通过分子标记辅助选择或者转基因的方法导入到优良的玉米自交系是选育抗性优良的玉米品种的最快速的措施。国内外学者对玉米穗粒腐病的抗性遗传规律进行了大量的研究,结果表明,玉米对穗粒腐病的抗性属于数量遗传抗性,其中以加性效应为主,显性效应较小[19-20]。到现在为止,国内外已经有很多研究者对玉米抗穗粒腐的QTL进行了定位。2001年Perez-Brito等利用2个来自墨西哥高地的抗病自交系和同一个感病自交系组配获得2个F2:3家系,并采用针刺果穗接种串珠镰孢菌的方法对玉米抗穗粒腐病的QTL进行了定位,在2个群体中分别检测到了9个和7个QTL,其中2个群体中共有的QTL分别可以解释4%~10%的表型遗传变异[21]。2008年Junqiang Ding等人利用由抗病自交系87-1和感病自交系Zong 3组配的187个重组自交系在不同的年份和不同的环境下对玉米镰刀菌穗粒腐病的抗性QTL进行了定位,在不同环境中均能在3.04 bin上检测到2个共同的QTL,其中主效的QTL能解释13%~22%的表型变异率[22]。2011年Zhiming Li等利用250个由抗病自交系BT-1和感病自交系N6组配的重组自交系进行玉米抗镰刀菌穗粒腐病的QTL定位,发现了4个QTL分别位于3、4、5和6号染色体上,各自能解释2.5%~10.2%的表型变异率[23]。2012年Jiafa Chen等用抗病亲本BT-1和感病亲本Xi502组配的210个F2:3系对玉米抗镰刀菌穗粒腐病的QTL进行定位,检测到3个QTL分别位于4、5和10号染色体上,其中位于4.05/4.06 bin上的QTL能解释17.95%的表型变异率。以Xi502为轮回亲本获得的4.05/4.06 bin区域的近等基因系中,在此区域杂合的植株的抗病率要比纯合的植株提高33.7%~35.2%[24]。2013年Charles等利用47 445个SNP(single-nucleotide polymorphism)位点对267个自交系进行了镰刀菌穗粒腐病的全基因组关联分析,结果检测到3个标记位点跟镰刀菌穗粒腐病的抗性显著相关[25]。此外,一些研究者也做过一些穗粒腐抗性相关的基因发掘工作。2013年Yuan等以玉米抗穗粒腐病的自交系Bt-1为材料,接种串珠镰刀菌,对接种后96 h的玉米苞叶样品利用基因芯片进行了差异表达基因的筛选,结果表明,获得的482条差异表达序列,其基因注释的功能包括分子功能、生物过程和细胞组分3个层次[26]。 另外,国内外研究者对玉米穗粒腐病的抗性机制进行了大量的研究。袁广胜等对由串珠镰刀菌侵染玉米引起穗粒腐病的防御酶活性变化和病原菌侵染过程进行了研究,结果表明,苯丙氨酸解氨酶(PAL)和过氧化物酶(POD)的活性水平与材料抗性呈负相关,丙二醛(MDA)的活性水平与材料抗性呈正相关[27]。此外,玉米果皮和糊粉层的厚度、苞叶松紧度、籽粒硬度等因素与病原菌的入侵途径有关,所以直接影响玉米对穗粒腐病的抗性[28]。随着分子生物学的发展,越来越多在玉米抗穗粒腐病起重要作用的抗病因子已经被鉴定出来(表1),包括β-1-3葡萄糖苷酶、几丁质、α-淀粉酶等[12]。
6 抗病育种展望
育种实践表明,很多综合性状优良的种质资源存在抗病性差的缺陷,这为该种质资源的利用造成了阻碍。而利用MAS(Marker-assisted Selection)的方法将一些R基因/QTL有目的性地导入到需要改良的材料中,将有效地改善其抗病性。分子标记辅助选择是将分子标记应用于作物改良过程中进行辅助选择的一种手段,其原理是利用与目标基因紧密连锁的分子标记对选择个体进行筛选,从而获得期望的个体,达到提高育种效率的目的。到目前为止,分子标记辅助选择在水稻、小麦和玉米抗病育种研究中已取得显著效果。在玉米中检测到了1个位于2.09 bin抗丝黑穗的主效QTL-qHSR1,将这个QTL导入到10个具有高产的潜力但是感丝黑穗的优良自交系中后,这10个改良过的自交系的对丝黑穗的抗性显著提高,但是其他的农艺性状并没有发生改变[29]。因此,玉米中的抗性QTL通过分子标记辅助选择或者多个抗性QTL的聚合可以有效地提高植物的抗病性,而QTL的准确定位以及其效应验证是QRL(Quantitative resistance loci)在育种中能有效利用的必要条件,而且整个过程中的各种问题还需要去解决,整个流程体系还需要去完善。
随着当今玉米基因组学的飞速发展,玉米抗穗粒腐病基因的克隆将成为可能,从而开展玉米抗穗粒腐病的转基因品种改良。在明确玉米对穗粒腐病抗病机制的基础上,结合常规育种方法,将抗病基因目的性地转入到感病品种中,从而进行感病品种的抗性改良。
另外,目前玉米抗病育种的遗传基础比较狭窄,缺乏新的抗病基因来源。为了拓宽种质基础,将新种质引入到现有的育种素材中,各国育种者不得不把目光聚集在热带和亚热带的玉米种质上。由于热带和亚热带种质中蕴藏着许多优(下转第125页)
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良的特殊抗病基因位点,因此对这类基因位点的发掘和鉴定对于玉米品种的抗性改良至关重要。对一些抗性强、利用价值大的优良基因或位点,找到与之紧密连锁的分子标记,并迅速合理利用这些位点,将为玉米抗病育种提供新的突破点。目前,已鉴定的玉米抗穗粒腐病的基因位点大多来源于温带种质背景,而且表型贡献率比较小,所以很难应用到育种实践中。因此,从热带和亚热带种质中发掘新的特殊抗病基因位点,将为玉米穗粒腐病的抗性改良奠定基础。
7 参考文献
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关键词 玉米穗粒腐病;抗性遗传;育种;研究进展
中图分类号 S435.131 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2014)21-0121-02
1 分布与危害
1946年,Ullstrup在美国首次报道了由Botryosphaeria zeae引起的玉米灰色穗粒腐病[1]。随后,于1978年在南非也发现该种穗粒腐病[2]。1982年Kumar在印度的卡纳塔克邦发现了由Trichoderma viride引起的玉米灰色穗腐粒病[3]。目前,玉米穗粒腐病已成为世界各地玉米种植区的一种严重的真菌性病害。玉米穗粒腐病不仅会造成果穗腐烂而导致直接减产,而且有些病原菌能产生大量有害毒素,严重威胁人类和动物的健康和生命安全[4]。在我国,玉米穗粒腐病的发生和危害越来越严重,在一般年份,其发病率为10%~20%,严重年份可达30%~40%,感病品种的发病率达50%左右[5]。
2 病原菌
玉米穗粒腐病的致病菌十分复杂,研究发现串珠镰刀菌(Fusarium moniliforme)、禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)、赤霉菌(Gibberella fujikuroi)、蠕孢菌(Helm inthosporium sp)、粉红聚端孢菌(Trichothecium roseum)、曲霉菌(Aspergilllus spp)、青霉菌(Penicillium spp)等在内的20多种病原菌都能引起病害发生[6]。国外主要以禾谷镰刀菌和赤霉菌为优势种,而国内主要以串珠镰刀菌为优势种,禾谷镰刀菌为次优势种[7]。1987年潘惠康首次报道我国玉米穗粒腐病的主要致病菌是串珠镰刀菌[8]。2005年刘元春等对河南省玉米杂交种穗粒腐病病原菌进行了分离鉴定,结果表明病粒中串珠镰刀菌的带菌率最高,分离频率为59.61%[9]。2007年陈广泉对河西走廊玉米穗粒腐病的病原菌进行了分离,结果表明在分离到的8种病原菌中串珠镰刀菌和禾谷镰刀菌的分离率最高,分别为50.6%和40.3%[10]。
3 病害循环和症状
玉米穗粒腐病的病原菌主要是在发病的种子和病残体上越冬,成为下一季的初始侵染源[11]。病菌孢子借助风雨传播,主要从玉米的伤口和花丝侵入,通过气流和雨水进行进一步的传播和扩散。此外,病菌也可以由根部开始侵染,然后经过茎传到玉米果穗[12]。玉米穗粒腐病通常发生在玉米的生长后期,一般从吐丝到收获的过程中均有可能发病,但是发病的盛期为吐丝到吐絲后的3周内[7]。
目前,生产上发生的玉米穗粒腐病主要危害玉米的果穗,一般从果穗的顶部或基部发病,造成大片或者整个果穗腐烂,病粒皱缩、无光泽、不饱满[13]。引起该病的病原菌不同,引起的症状也存在一定程度的差异。由串珠镰刀菌引起的穗粒腐病表现为只有个别或者局部的籽粒感病,病粒易破碎。病粒上覆1层粉红色霉状物,有时候也会长出橙黄色的点状黏质物[11]。由禾谷镰刀菌引起的穗粒腐病引起受害早的果穗全部腐烂,病穗的苞叶与果穗粘结在一起,之间生有1层淡紫色至浅粉红色的霉层,有时候病部还会出现蓝黑色的小粒点。果穗顶部变为粉红色,籽粒间生有红色至灰白色菌丝[11]。其他病原菌引起的症状也各有差异。
4 抗源鉴定
选育抗病品种是防治玉米穗腐病最为有效的措施,因此国内外的很多工作者进行了玉米穗粒腐病的抗源筛选工作。2002年陈 威等通过人工接种串珠镰刀菌,对90份玉米自交系进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,从中筛选出了15份高抗材料和27份中抗材料。其中郑32、四一、沈137、P136、P138、BT、SL2169、CN157、金皇59、488、鲁原92、S22、Pa405、KB25等15份自交系玉米穗粒腐病发病籽粒数少于3%,为高抗材料;8112、200、获唐黄、785、HB44、178等27份材料的玉米穗粒腐发病籽粒数在4%~10%,被鉴定为中抗材料[14]。2006年潘惠康等对1 216份材料进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,结果表明,甜玉米最易感病,硬质的高赖氨酸玉米材料的抗病能力较强,粉质的高赖氨酸玉米材料的抗病能力相对较差。糯玉米、爆裂玉米和高油玉米的抗病性强于其他类型的特用玉米。此外,普通玉米自交系和杂交种是比较抗病的,而且杂交种比自交系具有更好的抗病性[15]。2007年王丽娟对178份玉米自交系和15份杂交种进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,结果表明,高抗的材料只有X178,沈137、4F1、齐319、吉465、海014、东156等34份材料表现为抗玉米穗粒腐病,CA339、吉4112、CD14、黄早四、郑58、K12等89份材料表现为中抗[16]。Campbell等也进行了玉米抗穗粒腐病的抗源筛选工作,结果表明Tex6、Y7、Mp420以及它们的F1均对曲霉菌引起的玉米穗粒腐病具有很好的抗性[17]。Reid等对玉米的一些玉米的杂交种和包括6个优质蛋白玉米自交系通过人工接种3种禾谷镰刀菌菌株的方法进行了玉米穗粒腐病的抗性鉴定,结果表明,2个自交系(CO272和CO325)和1个杂交种(Pride K127)对3种菌株都表现出较强的抗性[18]。
5 遗传机理研究
选育和种植高抗的玉米品种是防治玉米穗粒腐病最有效的措施,而将抗性的基因QTL通过分子标记辅助选择或者转基因的方法导入到优良的玉米自交系是选育抗性优良的玉米品种的最快速的措施。国内外学者对玉米穗粒腐病的抗性遗传规律进行了大量的研究,结果表明,玉米对穗粒腐病的抗性属于数量遗传抗性,其中以加性效应为主,显性效应较小[19-20]。到现在为止,国内外已经有很多研究者对玉米抗穗粒腐的QTL进行了定位。2001年Perez-Brito等利用2个来自墨西哥高地的抗病自交系和同一个感病自交系组配获得2个F2:3家系,并采用针刺果穗接种串珠镰孢菌的方法对玉米抗穗粒腐病的QTL进行了定位,在2个群体中分别检测到了9个和7个QTL,其中2个群体中共有的QTL分别可以解释4%~10%的表型遗传变异[21]。2008年Junqiang Ding等人利用由抗病自交系87-1和感病自交系Zong 3组配的187个重组自交系在不同的年份和不同的环境下对玉米镰刀菌穗粒腐病的抗性QTL进行了定位,在不同环境中均能在3.04 bin上检测到2个共同的QTL,其中主效的QTL能解释13%~22%的表型变异率[22]。2011年Zhiming Li等利用250个由抗病自交系BT-1和感病自交系N6组配的重组自交系进行玉米抗镰刀菌穗粒腐病的QTL定位,发现了4个QTL分别位于3、4、5和6号染色体上,各自能解释2.5%~10.2%的表型变异率[23]。2012年Jiafa Chen等用抗病亲本BT-1和感病亲本Xi502组配的210个F2:3系对玉米抗镰刀菌穗粒腐病的QTL进行定位,检测到3个QTL分别位于4、5和10号染色体上,其中位于4.05/4.06 bin上的QTL能解释17.95%的表型变异率。以Xi502为轮回亲本获得的4.05/4.06 bin区域的近等基因系中,在此区域杂合的植株的抗病率要比纯合的植株提高33.7%~35.2%[24]。2013年Charles等利用47 445个SNP(single-nucleotide polymorphism)位点对267个自交系进行了镰刀菌穗粒腐病的全基因组关联分析,结果检测到3个标记位点跟镰刀菌穗粒腐病的抗性显著相关[25]。此外,一些研究者也做过一些穗粒腐抗性相关的基因发掘工作。2013年Yuan等以玉米抗穗粒腐病的自交系Bt-1为材料,接种串珠镰刀菌,对接种后96 h的玉米苞叶样品利用基因芯片进行了差异表达基因的筛选,结果表明,获得的482条差异表达序列,其基因注释的功能包括分子功能、生物过程和细胞组分3个层次[26]。 另外,国内外研究者对玉米穗粒腐病的抗性机制进行了大量的研究。袁广胜等对由串珠镰刀菌侵染玉米引起穗粒腐病的防御酶活性变化和病原菌侵染过程进行了研究,结果表明,苯丙氨酸解氨酶(PAL)和过氧化物酶(POD)的活性水平与材料抗性呈负相关,丙二醛(MDA)的活性水平与材料抗性呈正相关[27]。此外,玉米果皮和糊粉层的厚度、苞叶松紧度、籽粒硬度等因素与病原菌的入侵途径有关,所以直接影响玉米对穗粒腐病的抗性[28]。随着分子生物学的发展,越来越多在玉米抗穗粒腐病起重要作用的抗病因子已经被鉴定出来(表1),包括β-1-3葡萄糖苷酶、几丁质、α-淀粉酶等[12]。
6 抗病育种展望
育种实践表明,很多综合性状优良的种质资源存在抗病性差的缺陷,这为该种质资源的利用造成了阻碍。而利用MAS(Marker-assisted Selection)的方法将一些R基因/QTL有目的性地导入到需要改良的材料中,将有效地改善其抗病性。分子标记辅助选择是将分子标记应用于作物改良过程中进行辅助选择的一种手段,其原理是利用与目标基因紧密连锁的分子标记对选择个体进行筛选,从而获得期望的个体,达到提高育种效率的目的。到目前为止,分子标记辅助选择在水稻、小麦和玉米抗病育种研究中已取得显著效果。在玉米中检测到了1个位于2.09 bin抗丝黑穗的主效QTL-qHSR1,将这个QTL导入到10个具有高产的潜力但是感丝黑穗的优良自交系中后,这10个改良过的自交系的对丝黑穗的抗性显著提高,但是其他的农艺性状并没有发生改变[29]。因此,玉米中的抗性QTL通过分子标记辅助选择或者多个抗性QTL的聚合可以有效地提高植物的抗病性,而QTL的准确定位以及其效应验证是QRL(Quantitative resistance loci)在育种中能有效利用的必要条件,而且整个过程中的各种问题还需要去解决,整个流程体系还需要去完善。
随着当今玉米基因组学的飞速发展,玉米抗穗粒腐病基因的克隆将成为可能,从而开展玉米抗穗粒腐病的转基因品种改良。在明确玉米对穗粒腐病抗病机制的基础上,结合常规育种方法,将抗病基因目的性地转入到感病品种中,从而进行感病品种的抗性改良。
另外,目前玉米抗病育种的遗传基础比较狭窄,缺乏新的抗病基因来源。为了拓宽种质基础,将新种质引入到现有的育种素材中,各国育种者不得不把目光聚集在热带和亚热带的玉米种质上。由于热带和亚热带种质中蕴藏着许多优(下转第125页)
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良的特殊抗病基因位点,因此对这类基因位点的发掘和鉴定对于玉米品种的抗性改良至关重要。对一些抗性强、利用价值大的优良基因或位点,找到与之紧密连锁的分子标记,并迅速合理利用这些位点,将为玉米抗病育种提供新的突破点。目前,已鉴定的玉米抗穗粒腐病的基因位点大多来源于温带种质背景,而且表型贡献率比较小,所以很难应用到育种实践中。因此,从热带和亚热带种质中发掘新的特殊抗病基因位点,将为玉米穗粒腐病的抗性改良奠定基础。
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