稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)及致病型的研究進(jìn)展

楊 璨，王玉翠，吳偉懷，李 偉，郭建夫

(廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東湛江 524088)

稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)及致病型的研究進(jìn)展

楊 璨，王玉翠，吳偉懷，李 偉*，郭建夫*

(廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東湛江 524088)

綜述了稻瘟病菌群體遺傳學(xué)研究的重要性及針對稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)特征的研究方法，分析了稻瘟病菌群體遺傳宗譜與致病型的相互關(guān)系，并探討了在稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)研究過程中需要加強(qiáng)的方面。

稻瘟病菌；群體遺傳結(jié)構(gòu)；遺傳宗譜；致病型

水稻是全球種植最廣泛的谷類作物之一，世界上約有超過半數(shù)的人口以此為主食[1]，因此，水稻在全球糧食生產(chǎn)中占有極其重要的地位。隨著人口的不斷增長，耕地面積持續(xù)減少，糧食生產(chǎn)正面臨著越來越大的壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2050年世界人口將超過90億，而且大部分增加人口將出現(xiàn)在亞洲及非洲的發(fā)展中國家，屆時將會有超過30億的人口出現(xiàn)在亞洲，并以水稻作為主要糧食[2-3]。到2035年，世界水稻產(chǎn)量需增加26%以上方可養(yǎng)活全球新增的人口。因此，提高水稻產(chǎn)量仍將是今后水稻生產(chǎn)過程中一項(xiàng)重要且迫切的任務(wù)。

由真菌Pyriculariagrisea引起的稻瘟病幾乎是全球所有稻作區(qū)限制水稻生產(chǎn)的主要因素。目前，選育和利用抗病品種仍然是防治該病害最經(jīng)濟(jì)有效且對環(huán)境友好安全的措施。然而，一個抗病品種在推廣種植幾年后，往往會喪失其抗病性。因此，了解和把握稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)特征及其遺傳變化規(guī)律是選育和推廣抗病品種的重要基礎(chǔ)。筆者綜述了稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)特征的研究方法，并分析了稻瘟病菌群體遺傳宗譜與致病型的相互關(guān)系，旨在為選育和推廣水稻抗病品種提供參考。

1 稻瘟病及其病原菌群體遺傳學(xué)研究的意義

稻瘟病是由異宗配合子囊真菌[Magnaporthegrisea(Hebert)Barr.，無性世代為Pyriculariagrisea(Cooke)Sacc.]引起的廣泛發(fā)生于世界各個水稻種植區(qū)的最具毀滅性的水稻病害之一[4-6]。稻瘟病菌可以侵染水稻的根部，以及包括莖、葉、葉鞘和穗頸在內(nèi)的地上部分，已成為嚴(yán)重阻礙水稻生產(chǎn)的三大病害之一[7-10]。該病害在水稻不同生育期內(nèi)都可能會有發(fā)生，一年四季都可以對水稻造成危害，其每年造成的產(chǎn)量損失高達(dá)11%～30%，嚴(yán)重時甚至?xí)w粒無收[11-13]。20世紀(jì)90年代以來，我國稻瘟病的年發(fā)生面積都在380 hm2以上，年損失稻谷量達(dá)數(shù)億千克[14]。因此，稻瘟病受到了水稻科研工作者的高度重視和水稻生產(chǎn)者的廣泛關(guān)注。

目前，在大田生產(chǎn)中，對于稻瘟病的控制主要是依靠化學(xué)防治和種植抗病品種。然而，使用化學(xué)藥劑既會增加生產(chǎn)成本又會對環(huán)境造成污染。國內(nèi)外的研究實(shí)踐證明，選育和合理利用抗病品種是防治該病害最經(jīng)濟(jì)有效且對環(huán)境友好的措施[15-17]。但是，大部分抗病品種在推廣3～5年后就會被新出現(xiàn)的優(yōu)勢小種“打敗”從而喪失抗病性變?yōu)楦胁∑贩N，導(dǎo)致新的病害流行，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上造成嚴(yán)重的損失[18-20]。

水稻-稻瘟病菌已成為研究寄主植物與病原菌互作關(guān)系的模式系統(tǒng)[21-22]。Kiyosawa提出稻瘟病菌與水稻的親和性是通過無毒基因與對應(yīng)抗病基因的互作而產(chǎn)生的，二者的互作關(guān)系遵循經(jīng)典的“基因?qū)颉睂W(xué)說[23-24]。多年來，植物病理學(xué)家和育種學(xué)家一直努力試圖從兩者互作關(guān)系中找到水稻品種抗瘟性喪失的真正原因?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，水稻抗性喪失主要有兩方面的原因：一方面是單一抗病品種在大面積推廣之前所做的鑒定篩選中，其選用的稻瘟病菌生理小種不能真正代表目標(biāo)地區(qū)病原菌群體的結(jié)構(gòu)特征，從而導(dǎo)致釋放到田間后，由于寄主-病原菌-環(huán)境的相互作用導(dǎo)致潛在的致病小種迅速發(fā)展為優(yōu)勢小種，進(jìn)而導(dǎo)致抗病品種抗性喪失。另一方面是稻瘟病菌群體自身的高度變異性，其群體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生理小種數(shù)量大、易于變異，導(dǎo)致毒性發(fā)生變異并產(chǎn)生新的生理小種。此外，加上水稻品種單一大面積種植、多年連作，水稻品種和稻瘟病菌在選擇壓下相互選擇、協(xié)同進(jìn)化，是品種抗性容易喪失、病害流行的主要原因。因此，要真正解決品種抗性喪失及病害流行的問題，必須從稻瘟病菌著手。從病原菌-寄主群體互作的觀點(diǎn)出發(fā)，準(zhǔn)確地掌握該地區(qū)稻瘟病菌群體的遺傳結(jié)構(gòu)及其變異規(guī)律，以及掌握該地區(qū)內(nèi)稻瘟病菌群體的優(yōu)勢小種，正確地鑒定和評價(jià)種植品種的抗性，獲得真正有價(jià)值的抗病基因信息及材料，將會對合理利用抗性品種、選育具有持久抗性的品種以及病情的預(yù)測預(yù)報(bào)都有重要意義。

2 稻瘟病菌群體遺傳學(xué)研究的發(fā)展

自從認(rèn)識到稻瘟病菌在致病性上存在著分化，并意識到把握其群體結(jié)構(gòu)特征及變化規(guī)律的重要性以來，人們就開始嘗試從各個角度對稻瘟病菌群體進(jìn)行監(jiān)測和分析。因此，為了更好地了解稻瘟病菌變異的規(guī)律和動態(tài)，為抗病品種的選育、合理布局和更換及病害防治提供更可靠的理論依據(jù)，首先需要對稻瘟病菌群體的遺傳學(xué)進(jìn)行更深入的研究。

2.1 傳統(tǒng)的稻瘟病菌群體遺傳學(xué)研究的手段在傳統(tǒng)意義上，對稻瘟病菌群體的遺傳學(xué)研究僅僅局限于基于鑒別品種的生理小種的鑒定與分類等方面，即將一組數(shù)量豐富的菌株接種在一組鑒別寄主上，然后根據(jù)每個菌株對鑒別品種的致病性類型將這些菌株劃分為不同的致病型(生理小種)。在稻瘟病菌研究體系中，其鑒別體系分別包括鑒別菌株與鑒別品種[25]。前者是由這樣一組菌株組成的，它們可以代表一個地區(qū)的主要生理小種，具有遺傳穩(wěn)定性和多樣性，同時能鑒別本地區(qū)主要品種的抗性基因。而后者則是由一組寄主品種(最理想的是單基因品種)組成的，它們的抗性代表了一個地區(qū)的主要抗性基因，能夠鑒別本地區(qū)稻瘟病菌群體的生理小種。在此基礎(chǔ)上可快速把握本地區(qū)稻瘟病菌的群體遺傳結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律，為生產(chǎn)實(shí)踐中抗病品種的合理布局、病害的預(yù)測預(yù)報(bào)提供切實(shí)可靠的依據(jù)[26]。然而，稻瘟病菌是一個高度分化變異的群體，傳統(tǒng)的鑒定致病型的方法由于費(fèi)時費(fèi)力，易受外界環(huán)境和人為因素等的影響而缺乏穩(wěn)定性和全面性[27-30]，難以客觀、真實(shí)地反映其遺傳多樣性及系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。因此，探索新的方法來彌補(bǔ)常規(guī)手段的不足，以更加準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測稻瘟病菌群體的遺傳變異規(guī)律是有必要的。

2.2 分子標(biāo)記技術(shù)在稻瘟病菌群體遺傳學(xué)研究中的發(fā)展和利用20世紀(jì)90年代以來，隨著分子生物學(xué)和生物技術(shù)的快速發(fā)展，研究稻瘟病菌生理小種與寄主水稻品種相互作用的分子遺傳機(jī)理以及稻瘟病菌群體的遺傳結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等成為了國內(nèi)外稻瘟病研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。目前，在稻瘟病菌的群體結(jié)構(gòu)研究中廣泛應(yīng)用的分子標(biāo)記方法主要有限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)方法、隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(RAPD)技術(shù)、相關(guān)序列擴(kuò)增多態(tài)性(SRAP)標(biāo)記、簡單重復(fù)序列(SSR)標(biāo)記、特異性擴(kuò)增片段(SCAR)標(biāo)記及rep-PCR技術(shù)等。

RFLP方法以MGR586為探針，能反映出物種的基因型，可有效地檢測病原真菌的種內(nèi)遺傳分化以及基因組中非轉(zhuǎn)錄區(qū)發(fā)生的變異，可用于生物種群的遺傳多樣性分析[31]。因此，RFLP分析已廣泛地應(yīng)用于病原菌群體結(jié)構(gòu)的研究中[32-34]。然而，利用探針進(jìn)行RFLP分析的缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，所需模板DNA量大，特別是在進(jìn)行大群體分析時，難以快速、簡便地獲得理想的結(jié)果。

RAPD技術(shù)是1990年由Williams等首次提出的[35-36]，是近年來研究真菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的主要手段之一，它具有簡單、快速和多態(tài)性檢出率高等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外有許多學(xué)者利用RAPD技術(shù)對稻瘟病菌進(jìn)行群體遺傳學(xué)研究[37-40]。秦敏等通過對3株典型的稻瘟病菌進(jìn)行RAPD分析，認(rèn)為RAPD技術(shù)可以快速鑒定稻瘟病菌生理小種[41]。此外，魯國東等對福建省稻瘟病菌群體進(jìn)行RAPD分析，證明了該群體具有豐富的遺傳多樣性[42]。雖然RAPD技術(shù)具有操作簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)，但是其重復(fù)性較差的缺點(diǎn)仍然限制它的使用。

SRAP標(biāo)記是由Li等發(fā)展的一種分子標(biāo)記技術(shù)[43]。該標(biāo)記利用獨(dú)特的引物對開放閱讀框進(jìn)行擴(kuò)增[44-46]。因個體不同以及物種的內(nèi)含子、啟動子與間隔長度不等而產(chǎn)生多態(tài)性。該標(biāo)記具有簡便、穩(wěn)定、便于克隆測序目標(biāo)片段的特點(diǎn)[47-49]，已被應(yīng)用于遺傳多樣性分析[50-51]、圖譜的構(gòu)建以及比較基因組學(xué)研究[52]。

SSR標(biāo)記是一種建立在PCR基礎(chǔ)上的DNA分子標(biāo)記，是由基本重復(fù)單元組成的長達(dá)幾十個核苷酸的串聯(lián)重復(fù)序列。通常每個SSR兩側(cè)的序列都是相對保守的單拷貝序列，由此設(shè)計(jì)的特異引物可以擴(kuò)增串聯(lián)重復(fù)序列[53]。臧威等[53]為了了解稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化，對黑龍江省的代表性菌株進(jìn)行了研究，應(yīng)用SSR分子標(biāo)記技術(shù)分析了群體遺傳組成及其多樣性規(guī)律。然而，使用SSR標(biāo)記工作量大而且在PCR過程中容易產(chǎn)生干擾帶，因此，該標(biāo)記的使用在一定程度上也是受到限制的。

SCAR標(biāo)記是在RAPD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該標(biāo)記是共顯性遺傳，待檢DNA間的差異可直接通過擴(kuò)增產(chǎn)物的有無來顯示。SCAR標(biāo)記方便、快捷，可以對大群體進(jìn)行快速檢測，而且特異性和重復(fù)性較好，目前已廣泛應(yīng)用于稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)及其遺傳變異的分析[54]。另外，rep-PCR DNA分子指紋技術(shù)也是研究稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的有效手段[55-57]。George等采用rep-PCR方法對稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，證明了該方法在研究稻瘟病菌群體遺傳學(xué)方面的高效性[57]。

3 稻瘟病菌致病型研究的發(fā)展

致病型是基于病原菌各個菌株在一套具有不同抗病基因型的鑒別品種上的侵染譜來劃分的[58-59]。稻瘟病菌在長期的進(jìn)化過程中由于受到各種因素的影響而不斷變化，其中包括種植品種、耕作方式、環(huán)境等[60]。然而，病原菌致病型的組成和變異與病害流行及防控方法有直接關(guān)系，因此，各國學(xué)者在傳統(tǒng)植物病理學(xué)方法的基礎(chǔ)上紛紛對稻瘟病群體的致病型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。

在國際上，高坂淖爾等、Kumar等和Sharma等分別基于日本鑒別品種和國際鑒別品種將亞洲主要水稻生產(chǎn)國家、印度一些山區(qū)及印度Bilaspur地區(qū)的生理小種進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)致病型也具有一定的區(qū)域性，而且稻瘟病菌群體結(jié)構(gòu)在時間和空間上都有差異[40，61]。影響稻瘟病菌生理小種組成及時空分布變化的因素是多方面的，主要包括各地栽培品種和自然生態(tài)條件的差異、耕作制度的不同以及稻瘟病菌的變異和遷移等。此外，在寄主植物與病原菌協(xié)同進(jìn)化過程中，寄主品種對病原菌群體是有一定選擇作用的。

有研究發(fā)現(xiàn)，稻瘟病菌的致病性是非常容易發(fā)生變異的，即使地理位置接近的地區(qū)，其稻瘟病菌生理小種的群體組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也可能會存在較大的差異[51]。在很多地區(qū)，雖然其優(yōu)勢小種群和優(yōu)勢小種可以基本保持穩(wěn)定，但其在年度間卻有可能發(fā)生很大變化。劉志恒等和徐成楠等分別對遼寧省不同年間的單孢菌株進(jìn)行了生理小種鑒定，結(jié)果前者發(fā)現(xiàn)ZD和ZF為優(yōu)勢種群，而后者發(fā)現(xiàn)流行的優(yōu)勢種群為ZF群和ZE群[62-63]。此外，研究發(fā)現(xiàn)不管是利用中國鑒別品種還是利用日本鑒別品種，在我國北方獲得的優(yōu)勢致病型都存在年度間的差異。因此，對稻瘟病菌群體致病型結(jié)構(gòu)的時空變化開展全面、系統(tǒng)的研究是十分必要的。

4 稻瘟病菌群體遺傳宗譜與致病型的關(guān)系

與致病型不同，稻瘟病菌群體遺傳宗譜是基于病原菌各個菌株由特定的探針或引物產(chǎn)生相似的DNA指紋圖譜而劃分的[64-65]，屬于分子遺傳學(xué)的范疇。遺傳宗譜與致病型的對應(yīng)關(guān)系一直都是植物病理學(xué)家和水稻育種學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，也是稻瘟病菌群體分子遺傳學(xué)研究的核心問題[66-69]。很多學(xué)者認(rèn)為，如果兩者之間存在對應(yīng)關(guān)系，前者就可以取代后者，從而更加客觀、穩(wěn)定地對病原菌群體遺傳結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律進(jìn)行研究和監(jiān)測[65]。此外，如果能找到某一宗譜的特異擴(kuò)增帶，將其克隆測序進(jìn)而合成引物，就可以實(shí)現(xiàn)利用PCR技術(shù)對稻瘟病菌群體中某一特定小種或特異宗譜的頻率進(jìn)行快速檢測，從而更加準(zhǔn)確地掌握該病害在各個水稻種植區(qū)內(nèi)的病原菌群體結(jié)構(gòu)及變異信息，為該病害的防治提供理論依據(jù)?？v觀國內(nèi)外的研究進(jìn)展，主要有以下3種不同的結(jié)果：①遺傳宗譜與致病型存在簡單的對應(yīng)關(guān)系[70]。Levy等對美國南部的稻瘟病菌群體進(jìn)行了DNA指紋分析，結(jié)果表明遺傳宗譜與致病型之間存在一對一的關(guān)系[65]。后來，哥倫比亞的稻瘟病菌群體分析仍然表明每一宗譜與特定的一類致病型相關(guān)[59]。②兩者之間不存在對應(yīng)關(guān)系[16]。使用108條RAPD標(biāo)記將55個稻瘟病菌株分為5個指紋組，但是研究發(fā)現(xiàn)指紋組與毒力之間并不存在任何對應(yīng)關(guān)系。③兩者之間存在很復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系[16，27，40，64，69]。Chen等研究表明，利用rep-PCR對來自我國的分屬于53種致病型的121個稻瘟病菌株進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它們隸屬于9個遺傳宗譜，而且在同一個宗譜中同時包含多個致病型[71]?？傊嘘P(guān)稻瘟病菌群體的遺傳宗譜與致病型之間的關(guān)系到目前為止尚無定論，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該辨證地考慮兩者之間的關(guān)系，將遺傳宗譜與致病型兩方面的數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合加以利用。

5 問題與展望

目前，針對水稻稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。但是由于稻瘟病菌群體的遺傳結(jié)構(gòu)存在區(qū)域性特征且隨時間變化而變化，同時還會受到其自身繁殖方式、寄主選擇作用以及防治策略等其他因素的影響，因此，了解和把握病原菌群體的變化規(guī)律，明確病原菌群體遺傳結(jié)構(gòu)變化與病害流行的關(guān)系，發(fā)掘抗原、選育抗病品種以及合理布局優(yōu)良品種對于進(jìn)一步促進(jìn)稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的研究有著重要意義。筆者認(rèn)為在今后的研究中應(yīng)加強(qiáng)以下幾個方面研究工作：①隨著功能基因組學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的快速發(fā)展，盡可能多地開發(fā)出簡便易操作的功能性分子標(biāo)記，使該種新型標(biāo)記在稻瘟病菌群體遺傳學(xué)研究中發(fā)揮更大的作用。②更加全面、準(zhǔn)確地了解和把握稻瘟病菌群體致病型及其鑒別品種的特征及發(fā)展，以期能夠進(jìn)一步推動稻瘟病菌群體遺傳宗譜與致病型的相互關(guān)系。③由于稻瘟病菌在遺傳上的多樣性和復(fù)雜性，不能通過推廣抗病品種而徹底解決問題，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，必須密切監(jiān)控稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的變化動態(tài)和潛在的變化趨勢，進(jìn)一步指導(dǎo)抗病品種的合理布局及輪換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中對病情的預(yù)測預(yù)報(bào)。隨著我國乃至全球在分子生物學(xué)及植物病理學(xué)方面研究的深入，稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)的難題終將解決。

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Advances on Population Genetic Structure and Pathotype of Rice Blast Fungus

YANG Can, WANG Yu-cui, WU Wei-huai, LI Wei*, GUO Jian-fu*

(College of Agronomy, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, Guangdong 524088)

This paper summarized the significance and the research methods of the population genetics ofMagnaporthegrisea, analyzed the relationship between genetic lineages and pathotype, and discussed the points need to be strengthened during the study of population genetic structure.

Magnaporthegrisea; Population genetic structure; Genetic lineages; Pathotype

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012B020301003)。

楊璨(1990- )，女，河北保定人，碩士研究生，研究方向：水稻稻瘟病病理學(xué)。*共同通訊作者：郭建夫，研究員，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事作物遺傳育種研究；李偉，副教授，博士，從事作物遺傳育種研究。

2015-03-23

S 435.111.4+1

A

0517-6611(2015)13-111-04