水稻稻曲病的研究進(jìn)展

鄒克琴，胡東維，王為民，徐曉暉

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 生命科學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學(xué) 生物技術(shù)研究所水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310029)

水稻稻曲病 (rice false smut)是由稻曲病菌［Ustilaginoidea virens(Cooke)Tak］引起的水稻真菌病害。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，稻曲病主要發(fā)生于亞洲稻區(qū)，如中國(guó)、印度、緬甸等東南亞國(guó)家。在歐洲、美洲和非洲等地區(qū)也均有發(fā)生［1-2］。稻曲病在歷史上對(duì)水稻的危害損失并不嚴(yán)重，僅僅作為水稻生產(chǎn)的次要病害。但是近年來(lái)，隨著全球氣候變化和我國(guó)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交稻大面積推廣以及水稻水肥水平的提高，稻曲病在日本和我國(guó)的湖南、江西、遼寧、云南、黑龍江等多個(gè)省份發(fā)生并危害逐年加重。稻曲病已從次要病害上升為主要病害［3］。水稻發(fā)生稻曲病后，不僅造成大量癟粒病粒，降低稻谷產(chǎn)量及質(zhì)量，而且病粒含有毒素，這種毒素能引起人畜慢性中毒，極大的影響了糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和糧食食品安全。水稻稻曲病的防治和抗病研究逐漸成為目前關(guān)注和亟待研究解決的問(wèn)題。本文將國(guó)內(nèi)外水稻稻曲病研究的概況進(jìn)行綜述，為科學(xué)研究人員提供參考。

1 稻曲病原菌的生物學(xué)特性

1896年，Cooke等［4］首先從印度獲得稻曲病病原菌標(biāo)本，并命名為 Ustilago virens。1895年，Bregend根據(jù)病原菌的分生孢子特征，提出建立Ustilaginoidea屬，并把稻曲病菌名稱改為Ustilaginoidea virens。稻曲病病原菌屬子囊目麥角科擬黑粉屬。也有研究人員認(rèn)為其屬于子囊菌綱麥角菌目麥角菌科的綠核菌屬。稻曲病原菌在病穗上一般形成黃色或墨綠色的稻曲球，在稻谷病粒上可形成黑色菌核，呈紡錘形、馬蹄形等多種形狀。稻曲病菌無(wú)性態(tài)主要有厚垣孢子、分生孢子。厚垣孢子黃色或黑褐色，圓形或稍橢圓形，表面有許多疣狀突起。分生孢子為薄壁孢子，呈卵圓形或長(zhǎng)圓形，單胞無(wú)色透明，外表光滑［5-6］。稻曲病菌有性階段主要是菌核萌發(fā)形成子座、子囊和子囊孢子。王疏等［7］發(fā)現(xiàn)了一個(gè)稻曲病菌白化菌株，對(duì)白化菌株的生物學(xué)特性、酯酶同功酶和RAPD譜帶進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與稻曲病菌在蛋白質(zhì)系統(tǒng)、DNA序列及堿基排列順序上均存在明顯差異。認(rèn)定它是不同于稻曲病菌的一個(gè)新種 U．a(chǎn)lbicans。

1895年，Brefeld在人工培養(yǎng)基上分離得到了病原菌。1975年，Sharma在酵母培養(yǎng)基上從新鮮菌核上分離到了分生孢子。目前，稻曲病菌的分離方法主要有組織塊分離法、菌核分離法、稻曲球分離法、厚垣孢子懸浮液法等。稻曲病菌菌絲生長(zhǎng)速度與環(huán)境條件和培養(yǎng)基類型有關(guān)。稻曲病菌分生孢子萌發(fā)的適溫為22～31℃，其中28℃最好，最適pH值為6.0～7.0。50℃為致死溫度［8］。PSA培養(yǎng)基最適于孢子萌發(fā)，稻曲病菌生長(zhǎng)的最佳碳源為蔗糖，最適蔗糖濃度為2% ～3%，葡萄糖強(qiáng)烈抑制孢子萌發(fā)，馬鈴薯煮汁既可抵消葡萄糖的抑制作用，又可刺激孢子萌發(fā)［9］。紫外線和太陽(yáng)光照射對(duì)厚垣孢子的發(fā)芽有一定的抑制作用，黑暗條件利于稻曲病菌的生長(zhǎng)。稻曲病菌黃色厚垣孢子培養(yǎng)20 h萌發(fā)率可達(dá)90%以上，而黑色厚垣孢子不萌發(fā);黃色厚垣孢子萌發(fā)的最適溫度為25～30℃，最適 pH 值為 5.0 ～8.0［10］。

2 稻曲菌毒素

水稻稻曲病不僅影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且對(duì)稻米的食用安全以及稻田環(huán)境的生物安全帶來(lái)了隱患。我國(guó)植病學(xué)家朱鳳美在50年代便指出稻曲病菌含有有毒色素。目前，研究人員已從稻曲球中分離到UstiloxinsA-UstiloxinsE 6種毒素，用稻曲病粒喂養(yǎng)兔、雞、老鼠等動(dòng)物，可導(dǎo)致動(dòng)物肝、腎臟等內(nèi)部器官病變［11］。日本學(xué)者［12］研究發(fā)現(xiàn)稻曲病菌毒素Ustiloxins是類抗真核細(xì)胞有絲分裂的環(huán)形肽。陳美軍等［13］進(jìn)行了稻曲毒素活性檢測(cè)和細(xì)胞定位的研究，發(fā)現(xiàn)該毒素具有熱穩(wěn)定性，100℃加熱30 min，毒性不被破壞。稻曲毒素的活性機(jī)制主要是抑制動(dòng)植物細(xì)胞的有絲分裂。稻曲病菌產(chǎn)生的有毒物質(zhì)在高濃度時(shí)可抑制稻種萌發(fā)和胚芽生長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)定水稻花藥愈傷組織在粗毒素脅迫下的生長(zhǎng)量，其結(jié)果與田間抗性表現(xiàn)相關(guān)性較大［14］。

3 稻曲病的發(fā)病機(jī)制

國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)稻曲病菌侵染水稻的發(fā)病機(jī)制進(jìn)行了研究。稻曲病菌不但侵染水稻，還可以侵染玉米和田間一些雜草如馬唐屬 (Digitaria marginata)和水社黍以及野生稻［15］。稻曲病病原菌的菌絲體、厚垣孢子、菌核、稻曲球均可以越冬。一般認(rèn)為，稻曲病菌在溫度26～28℃、空氣相對(duì)濕度88%以上，在水稻孕穗期、始穗期和揚(yáng)花期極有利于稻曲病侵染發(fā)病。Ikegami等［16］用稻曲病菌厚垣孢子在水稻孕穗期接種引起水稻發(fā)病。王國(guó)良等［17］在孕穗期和始穗期分別用注射和噴霧人工接種病曲菌懸浮液，均可使水稻發(fā)病。張君成等［18］分別用稻曲病菌的分生孢子和厚垣孢子接種水稻，研究表明，不論是田間還是室內(nèi)，分生孢子接種發(fā)病率均高于厚垣孢子，同一接菌體注射接種法發(fā)病率高于噴霧接種，尤以孕穗期分生孢子注射接種處理發(fā)病率最高。

關(guān)于稻曲病菌的侵染機(jī)制，目前有2種不同觀點(diǎn)，即花期穗部侵染和苗期系統(tǒng)性侵染?；ㄆ谒氩壳秩镜闹饕C據(jù)，是孕穗后期人工接種可大幅度提高病穗率［19］。也有研究人員［20］認(rèn)為，稻曲病菌的侵染可能是苗期系統(tǒng)性侵染。在水稻萌發(fā)期病原菌孢子可大量成功侵染胚根和胚芽鞘，稻曲病菌的侵染方式屬于角質(zhì)層下侵染，病原菌不能直接侵入水稻細(xì)胞，只能在水稻組織的細(xì)胞間隙中擴(kuò)展。

4 稻曲菌的分子生物學(xué)

在水稻抗稻曲病的研究過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從抗病水稻品種特性、稻曲菌的致病分子機(jī)理和遺傳多樣性方面進(jìn)行了初步研究。不同水稻品種對(duì)稻曲病抗性反應(yīng)差異顯著，水稻內(nèi)部的組織化學(xué)結(jié)構(gòu)差異可能是抗性差異原因之一。代光輝等［21］研究表明，抗稻曲病水稻品種的穎殼中含有大量的木質(zhì)素和多酚類物質(zhì)，感病品種中的木質(zhì)素較少。木質(zhì)素和多酚類物質(zhì)可能在抗病中起著某種作用。

水稻受到稻曲病菌的侵染后，轉(zhuǎn)錄組水平和蛋白質(zhì)組水平都將發(fā)生變化。張震等［22-24］從稻曲菌中克隆了促分裂原活化蛋白激酶UVMK1基因，該蛋白由355個(gè)氨基酸組成，這有利于揭示稻曲菌生長(zhǎng)和致病期間MAPK的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，并且利用根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)建立了稻曲病的分子轉(zhuǎn)化體系，完成了稻曲菌cDNA文庫(kù)的制備。稻曲病菌遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立以及cDNA文庫(kù)的制備，對(duì)克隆相關(guān)致病基因，研究稻曲病菌的致病機(jī)理和分析遺傳變異機(jī)制打下了基礎(chǔ)。潘雅嬌等［25］用 AFLP技術(shù)分析了稻曲病菌的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)稻曲病菌和水稻品種不存在明顯的專化性互作。周永力等［26-27］采用RAPD和 AFLP技術(shù)分析稻曲病菌的遺傳多樣性和群體遺傳結(jié)構(gòu)，并用PCR技術(shù)進(jìn)行了稻曲病的專一性檢測(cè)研究。李余生等［28］進(jìn)行了水稻稻曲病的抗性遺傳機(jī)制研究，結(jié)果表明水稻稻曲病抗性遺傳率為82.84%。王永強(qiáng)等［29-30］分析了不同地理來(lái)源稻曲病菌的rDNA-IGS序列的多態(tài)性，發(fā)現(xiàn)不同地理來(lái)源稻曲病菌的rDNA-IGS中部變異區(qū)的重復(fù)序列單元的數(shù)目不同，rDNA-IGS序列特征可以作為種下群體的分子遺傳標(biāo)記。還分析稻曲病菌的rDNA-ITS片段發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源的稻曲病菌在ITS序列上均高度同源，無(wú)法反應(yīng)菌系相互之間的親緣關(guān)系。劉連盟等［31］克隆得到了稻曲菌的G蛋白β亞基2037bp的全編碼基因序列。該序列包含4個(gè)內(nèi)含子，5個(gè)外顯子和1個(gè)編碼359個(gè)氨基酸的開放閱讀框，將該基因進(jìn)行了原核表達(dá)并進(jìn)一步做基因敲除研究，這為稻曲病菌致病分子機(jī)理打下了基礎(chǔ)。

5 存在的問(wèn)題與前景展望

水稻稻曲病自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻曲病已做了大量的研究工作。但對(duì)稻曲病的寄主范圍報(bào)道少且無(wú)準(zhǔn)確的研究結(jié)果，對(duì)稻曲病菌病原學(xué)還缺乏較為系統(tǒng)的研究。對(duì)稻曲病菌致病性變異原因和致病性變異的分子機(jī)理尚不明確。稻曲病菌與水稻互作機(jī)理，與水稻細(xì)胞的識(shí)別和信號(hào)傳導(dǎo)、水稻防衛(wèi)反應(yīng)基因激活過(guò)程研究相對(duì)薄弱。

在未來(lái)幾年，需要找到稻曲菌的侵染致病和毒性變異的重要相關(guān)基因，對(duì)稻曲菌全基因組有清晰的認(rèn)識(shí)，建立成熟的稻曲菌的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)體系，利用RNA干擾、基因敲除等反向遺傳學(xué)的方法和技術(shù)建立一些稻曲菌突變體。從分子水平闡明稻曲病菌的致病機(jī)理。利用功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究技術(shù)方法，分離和克隆水稻抗稻曲病基因，研究稻曲菌與水稻互作過(guò)程中，病原激發(fā)子的信號(hào)傳導(dǎo)與防衛(wèi)反應(yīng)基因激活過(guò)程的調(diào)控機(jī)理，并通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)建新的抗稻曲病菌的種質(zhì)資源與持久抗稻曲病新品種。

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