湖南稻瘟病菌生理小種的組成及其致病性

趙正洪，周政，吳偉懷，周斌，呂艷梅，王玲

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；4.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 ?？?571101)

湖南稻瘟病菌生理小種的組成及其致病性

趙正洪1,2，周政2，吳偉懷3,4，周斌2，呂艷梅2，王玲3*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；4.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所，海南 海口 571101)

利用來自日本、國際水稻研究所(IRRI)和中國的10個(gè)稻瘟病菌單基因鑒別品種，將59個(gè)湖南稻瘟病菌株分別劃分為20個(gè)生理小種，優(yōu)勢小種為H531.1、H511.1和H501.1，對抗性基因Pi–CO39、Pita、Pi3、Pi12、Pia具有致病性。各個(gè)稻區(qū)生理小種組成和優(yōu)勢小種存在差異，其中，湘東、湘中稻區(qū)稻瘟病菌生理小種多樣性指數(shù)較高，優(yōu)勢小種的變化最為明顯，說明這 2個(gè)稻區(qū)的抗源基因正逐漸變得匱乏，甚至喪失。鑒別品種C101LAC(Pi1)和C101A51(Pi2)對59個(gè)湖南稻瘟病菌菌株抗性頻率均為100.0%，說明這些抗性品種(基因)可作為湖南稻區(qū)稻瘟病的抗源材料(基因)，Pi1、Pi2可直接作為分子標(biāo)記輔助選擇育種的供體抗源基因。品種關(guān)東51(Pik)、C105TTP–4L23(Pi4–b)和 C101PKT (Pita)在湖南各稻區(qū)的抗性水平表現(xiàn)存在差異，可以作為選擇性抗源材料(基因)加以應(yīng)用。

水稻；稻瘟病菌；生理小種；致病型多樣性；抗性基因；湖南

世界水稻產(chǎn)區(qū)每年因稻瘟病而導(dǎo)致水稻減產(chǎn)11%～30%[1–3]。近年來，中國稻瘟病每年的平均發(fā)病面積約為4.0×106hm2，流行年份可達(dá)8.0×107hm2，造成20～100萬t稻谷損失[4–5]。倪寶鳳[6]報(bào)道，1992年稻瘟病流行時(shí)，僅在湖南早稻穗瘟發(fā)病面積就高達(dá)3.0×105hm2，造成1.57×105t稻谷的損失。實(shí)踐證明，培育和種植抗病品種是防治稻瘟病最為經(jīng)濟(jì)有效的措施[3–5,7]。

稻瘟病菌生理小種(亦稱致病型)有著豐富的多樣性，在不同地區(qū)以及同一地區(qū)的不同年份，其構(gòu)成及優(yōu)勢小種都存在明顯的差別[8–10]。大部分水稻品種在推廣種植3～5年之后抗性逐步喪失，因此，開展稻瘟病菌生理小種的鑒別研究，有針對性地篩選稻瘟病抗源，進(jìn)而開展抗性育種對防治稻瘟病十分必要。目前，稻瘟病菌群體致病型的鑒別主要是通過構(gòu)建一套鑒別品種加以區(qū)分，理想的鑒別品種是包含了所有抗病基因的單基因鑒別品種。各水稻生產(chǎn)國(地區(qū))往往通過選育一套適合于本國(地區(qū))的單基因鑒別品種開展致病型的研究。

近年來，湖南省種植推廣的抗稻瘟病水稻品種的抗性普遍較差，在2001—2010年育成審定的28個(gè)優(yōu)質(zhì)稻品種(組合)中，除早稻早優(yōu) 143及組合H37A/R207稻瘟病抗性稍強(qiáng)外，其余的26個(gè)品種(組合)均表現(xiàn)“感”或“高感”稻瘟病[11]。一方面，由于湖南省地形地貌復(fù)雜多樣[12]，氣候適宜，稻瘟病菌小種豐富多樣，變異傳播快；另一方面，湖南稻區(qū)大面積種植優(yōu)質(zhì)稻感病品種，使得攜帶的抗性基因較為單一，抗譜窄，易感染稻瘟病造成危害。筆者利用來自日本、國際水稻研究所(IRRI)和中國鑒別品種所組成的 10個(gè)單基因鑒別品種，對湖南稻區(qū)稻瘟病菌群體的生理小種進(jìn)行鑒別，比較了不同生態(tài)區(qū)稻瘟病菌生理小種的組成特點(diǎn)和致病性，分析了鑒別品種及其所攜帶的抗性基因的抗性水平和特點(diǎn)，以期為湖南水稻抗瘟性育種和抗性品種的合理布局提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試稻瘟病菌菌株為 2007—2008年采集的湖南省洞庭湖平原(湘北)、長衡丘陵盆地(湘東)、郴祁邵丘陵盆地(湘中)和湘南丘陵山區(qū)(湘南)等 4個(gè)水稻種植區(qū)域的179個(gè)菌株。綜合考慮各稻區(qū)水稻播種面積、發(fā)病狀況和病菌寄主品種類型，從中選取59個(gè)代表型作為研究材料。

1.2 方 法

1.2.1 鑒別品種

由來自日本、IRRI和中國的3套鑒別品種中的10個(gè)單基因品種[8,13–14]組成。包括來自日本鑒別品種的愛知旭(Pia)，IRRI鑒別品種的 CO39(Pi–CO39)、C101LAC(Pi1)、C101A51(Pi2)、C101PKT (Pita)、C104PKT(Pi3)、C105TTP–4L23(Pi4–b)和L754 (Pi12)和中國鑒別品種的關(guān)東 51(Pik)和麗江新團(tuán)黑谷(未知)。利用這10個(gè)單基因鑒別品種對59個(gè)稻瘟病菌菌株進(jìn)行小種鑒別和抗性分析。

1.2.2 稻瘟病菌接種鑒定與小種命名

鑒別品種采用育秧盤單粒播種，每個(gè)品種播種5粒。播種前，土壤用福爾馬林、種子用多菌靈分別處理。播種后蓋土置網(wǎng)室內(nèi)保濕育秧。秧苗長至2.5葉時(shí)和接種前3 d各施1次氮肥(18 g/m2)，長至3.5～4.5葉時(shí)分別利用59個(gè)菌株培殖的孢子懸浮液噴霧接種(菌株孢子濃度為每 100倍視野呈現(xiàn)100～200個(gè))，每個(gè)菌株至少重復(fù)接種2次。

接種后7 d，按照Pan等[15]描述的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查各品種的反應(yīng)型，單基因鑒別品種鑒定的稻瘟病菌生理小種的命名參照Kiyosawa等[13]描述的方法，即H1、H2、H4、H10、H20、H40、H100、H200、H400、H.1等編碼依次代表 CO39、C101LAC、C101A51、 C101PKT、C104PKT、C105TTP–4L23、L754、關(guān)東51、愛知旭和麗江新團(tuán)黑谷，進(jìn)行小種分類時(shí)，將在鑒別品種上表現(xiàn)為感病反應(yīng)的編碼數(shù)值相加，就是該生理小種的名稱，數(shù)值之前加上“H”表示“湖南小種”。

1.3 數(shù)據(jù)分析

生理小種頻率(race frequency) 指稻作區(qū)生理小種出現(xiàn)的頻率，用以反映鑒別品種對稻作區(qū)稻瘟病菌的鑒別力；優(yōu)勢小種是指某一稻區(qū)中出現(xiàn)頻率較高的生理小種(一般為出現(xiàn)頻率前 3位的生理小種)；某一稻區(qū)生理小種的多樣性用格里森指數(shù)HG和香農(nóng)指數(shù) HSH[16]來反映。鑒別品種的抗性頻率(resistance frequency)用以反映品種及其所攜帶的抗性基因?qū)Φ疚敛【甑目棺V寬窄。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南稻瘟病菌群體生理小種的組成及其分布

利用單基因鑒別品種將 59個(gè)湖南稻瘟病菌株劃分為20個(gè)生理小種，生理小種頻率為33.9%，其中，采自湘北、湘東、湘中和湘南的 11、17、26 和5個(gè)菌株分別被劃分為6、12、11和4個(gè)生理小種。湖南稻區(qū)優(yōu)勢小種為H531.1、H511.1和501.1，出現(xiàn)頻率分別為 13.6%、13.6%和 12.1%，致病型H531.1、H511.1是湘中稻區(qū)主要的優(yōu)勢小種，H501.1、H511.1分別是湘北和湘南稻區(qū)出現(xiàn)次數(shù)最多的生理小種，而湘東稻區(qū)出現(xiàn)頻率較高的小種為H400.1、H000.1和H501.1(表1)。根據(jù)小種的命名特點(diǎn)可知，H000是在所有鑒別品種上都表現(xiàn)非致病性的一類菌株，在湖南稻瘟病菌群體中鑒定出1個(gè)該類生理小種。

表 1 湖南稻瘟病菌生理小種的組成及其在各稻作區(qū)的分布Table 1 Composition and distribution of physiological races of rice blast pathogen in different rice cropping regions of Hunan province

2.2 湖南稻瘟病菌優(yōu)勢小種的致病性及生理小種的多樣性

湖南稻區(qū)的優(yōu)勢小種是 H531.1、H511.1和H501.1，對10個(gè)單基因鑒別品種的反應(yīng)類型分別是SRRSSRSRSS、SRRSRRSRSS和SRRRRRSRSS(S表感病，R表抗病)，由此說明，湖南的優(yōu)勢小種對CO39 (Pi–CO39)、C101PKT (Pita)、C104PKT (Pi3)、L754 (Pi12)、愛知旭(Pia)和麗江新團(tuán)黑谷具有致病性，這些抗性基因在湖南稻區(qū)的抗性正逐步喪失。同理，根據(jù)致病性命名特點(diǎn)可知，湘北稻區(qū)稻瘟病菌的優(yōu)勢小種主要對抗性基因Pi–CO39、Pi3、Pi12、Pia，湘東的優(yōu)勢小種對 Pia、Pi12、Pi–CO39具有致病性，而湘中和湘南稻區(qū)稻瘟病菌優(yōu)勢小種的致病性跟湖南稻區(qū)較為一致。值得注意的是，盡管H400.1僅對弱效抗性基因Pia具有致病性，但其仍為湘東區(qū)優(yōu)勢小種，說明湘東稻區(qū)缺乏主要的抗瘟品種(基因)。

從表2中可以看出，湖南各稻作區(qū)稻瘟病菌小種多樣性指數(shù)從高到低依次是湘東、湘中、湘北和湘南，這與鑒別品種在各稻區(qū)所鑒定到的小種數(shù)較為一致。湘東地區(qū)多樣性指數(shù)最高，說明該區(qū)域稻瘟病菌生理小種變化快、傳播迅速，且缺乏有效的抗源，使得僅對普感品種愛知旭和麗江新團(tuán)黑谷具有致病性的小種H400.1成為該地區(qū)的優(yōu)勢小種。

表2 湖南各稻作區(qū)稻瘟病菌的致病型多樣性Table 2 Pathotypic diversities of blast isolates in Hunan rice cropping regions

2.3 單基因鑒別品種的抗性

將采自湖南各個(gè)稻區(qū)的 59個(gè)稻瘟病菌菌株接種10個(gè)鑒別品種，其中，C101LAC和C101A51對所有的菌株都表現(xiàn)出抗病反應(yīng)，抗譜性最廣，抗性頻率達(dá)到100.0%(表3)，這2個(gè)品種可以作為湖南稻區(qū)用以防治稻瘟病的抗源材料，單基因品種C101LAC、C101A51分別所攜帶的抗性基因Pi1、Pi2可用以開展分子標(biāo)記輔助選擇育種，導(dǎo)入湖南主栽品種。C105TTP–4L23、關(guān)東51對湖南稻瘟病菌群體的抗性頻率較高，但其對湖南各稻作區(qū)稻瘟病菌群體的抗性水平存在差異，這些抗源可根據(jù)優(yōu)勢小種的變化動(dòng)態(tài)作為選擇性抗源加以應(yīng)用。同樣，C101PKT在湘北的抗性頻率高達(dá)90.9%，而在湘中僅有23.1%，表明該抗源材料僅可應(yīng)用于湘北稻區(qū)抗性育種。

表3 鑒別品種對湖南稻瘟病菌群體的抗性表現(xiàn)Table 3 Resistance frequencies of differential cultivars against rice blast isolates collected in Hunan province

3 討 論

稻瘟病菌生理小種具有豐富的類型。不同鑒別品種在不同稻區(qū)鑒別能力存在差異，所鑒定的生理小種數(shù)、優(yōu)勢小種類型以及特異性生理小種數(shù)等組成也存在顯著的差異[17–19]。黃紅梅等[20]利用中國鑒別品種將采集于湖南的 303個(gè)單孢菌株劃分為 41個(gè)生理小種。筆者利用10個(gè)單基因品種將59個(gè)湖南稻瘟病菌菌株劃分為 20個(gè)生理小種，鑒別頻率為33.9%，僅對采自湘東菌株EHL0321表現(xiàn)抗病反應(yīng)，對其缺乏鑒別能力，說明該套鑒別品種并沒有包含該菌株具有致病性的鑒別品種(抗性基因)。

湖南稻區(qū)的優(yōu)勢小種為 H531.1、H511.1和H501.1，對這些優(yōu)勢小種都具有抗性的單基因分別是Pi1、Pi2、Pi4–b和Pik，說明湖南的種植品種缺乏這些抗源基因，它們可直接作為湖南各個(gè)稻區(qū)稻瘟病的抗源基因加以應(yīng)用。湘東稻區(qū)的優(yōu)勢小種為H400.1、H501.1和 H000.1，抗性基因 Pi1、Pi2、Pi4–b和Pik外的Pita、Pi3可作為該稻區(qū)的抗源基因。Pita可作為湘北稻區(qū)的抗源基因。

對湖南4個(gè)稻作區(qū)稻瘟病菌群體的小種多樣性指數(shù)進(jìn)行分析，湘東、湘中稻區(qū)的小種多樣性指數(shù)最高，湘東稻區(qū)中僅對普感品種愛知旭和麗江新團(tuán)黑谷具有致病性的優(yōu)勢小種H400.1是該地區(qū)的優(yōu)勢小種，這可能與該地區(qū)近年大面積種植感病的優(yōu)質(zhì)稻品種[10]有關(guān)，因此，在防控這2個(gè)稻區(qū)稻瘟病時(shí)，要注重利用抗性較強(qiáng)、抗譜較廣的資源(基因)，同時(shí)避免大面積種植單一品種，尤其是優(yōu)質(zhì)稻感病品種。

利用稻瘟病菌接種分析品種材料的抗性，是發(fā)掘抗源品種最為直接有效的方式[21–23]。本研究結(jié)果表明，C101LAC和C101A51對湖南稻瘟病菌群體的抗性水平最高，抗性頻率均為 100.0%，這些品種可作為湖南的抗源材料，進(jìn)一步證實(shí)單基因品種攜帶的抗性基因Pi1和Pi2可直接作為供體基因應(yīng)用于湖南當(dāng)?shù)仄贩N分子標(biāo)記輔助選擇育種中。在湖南不同的稻區(qū)抗性水平存在差異的鑒別品種，可以作為選擇性抗源(基因)加以應(yīng)用[14–15,24]，如Pita可作為湘北、湘東的抗源基因，Pi3僅可作為湘東的抗源。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊先鋒同學(xué)在稻瘟病菌單孢分離和孢子培養(yǎng)等方面給予了極大的幫助，謹(jǐn)此謝忱。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Composition of physiological races of rice blast fungus and their virulence to rice cultivars

ZHAO Zheng-hong1, 2, ZHOU Zheng2, WU Wei-huai3, 4, ZHOU Bin2, Lü Yan-mei2,WANG Ling3*
(1. College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Rice Research Institute, Hunan Academy of Agriculture Sciences, Changsha 410125,China; 3.Laboratory of Plant Resistance and Genetics, College of Natural Resource and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China; 4.Environment and Plant Protection Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101,China)

Fifty-nine isolates of Magnaporthe oryzae that collected in Hunan province were divided into 20 races based on the reactions to 10 monogenic differential cultivars from Japanese, IRRI and Chinese differential cultivars. Dominant races in the fungal population were H531.1, H511.1 and H501.1, which were virulent to rice cultivar with blast resistance genes Pi?CO39, Pita, Pi3, Pi12 and Pia. The composition of races and dominant races of blast pathogen in different rice cropping regions of Hunan were different. High pathotypic diversities of physiological races of rice blast pathogen were observed and the dominant races were changed most frequently in rice cropping region of east and middle Hunan, indicating the resistance rice varieties (genes) against blast were becoming poor, even lost in such regions. Differential cultivars C101LAC (Pi1) and C101A51 (Pi2) expressed 100% resistance frequencies against 59 isolates, meaning the two varieties (genes) can be used as resistance gene source for Hunan rice cropping region, and the resistance genes Pi1, Pi2 can be used as donor genes for molecular marker-assisted selection breeding. Differential cultivars Kanto 51(Pik), C105TTP?4L23 (Pi4?b) and C101PKT (Pita), showed different resistance to blast fungal population, indicating that these resistance varieties (genes) can be used as selective resistance resources in different regions of Hunan.

Oryza sativa; Magnaporthe oryzae; pathotypic diversity; differential cultivars; resistance genes; Hunan

S435.111.4+1

A

1007?1032(2014)02?0173?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.02.013

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–10–23

湖南省科學(xué)技術(shù)廳重大專項(xiàng)(2013FJ1008)

趙正洪(1964—)，男，湖南株洲人，博士，研究員，主要從事水稻育種研究，1154885640@qq.com；*通信作者，wangl@scau.edu.cn