玉米莖腐病研究進展

沈丘縣農(nóng)牧局農(nóng)藥監(jiān)督管理站 張鳳麗

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玉米莖腐病研究進展

沈丘縣農(nóng)牧局農(nóng)藥監(jiān)督管理站 張鳳麗

玉米莖腐病又稱玉米青枯病，是一種毀滅性的土傳病害，在世界主要玉米種植區(qū)均有發(fā)生。從1980年開始，該病在中國各玉米產(chǎn)區(qū)相繼發(fā)生，一般年份發(fā)病率為10%～20%，嚴(yán)重時超過70%，一般造成的產(chǎn)量損失在20%～30%，局部地區(qū)在50%以上，嚴(yán)重時甚至絕收。此外，莖腐病嚴(yán)重影響玉米品質(zhì)以及因莖稈破損倒伏而帶來的收獲問題。

一、病原菌及病癥

玉米莖腐病病原菌比較復(fù)雜，國外有報道，輪枝鐮孢（F. verticillioides）、 禾 谷 鐮 孢（F. graminearum）等是造成美國玉米莖腐病發(fā)生的主要致病菌，腐霉菌主要危害苗期和散粉前的玉米植株；而西歐的病原菌主要是干腐菌（F. zeae）和輪枝鐮孢。有關(guān)玉米莖腐病的病原菌問題國內(nèi)學(xué)者爭論了20多年，我國近期研究發(fā)現(xiàn)，玉米莖腐病病原菌主要以腐霉菌和鐮孢菌為主，目前尚未明確哪個致病作用強，并且認(rèn)為它們獨立或復(fù)合侵染導(dǎo)致莖腐病的發(fā)生，而其中對鐮孢菌研究報道相對較多。

鐮孢菌是莖腐病的主要病原菌，其屬內(nèi)的多個種均可侵染玉米，如禾谷鐮孢菌、層出鐮孢菌（F. proliferatum）和輪枝鐮孢菌等。由于各地地域環(huán)境、耕作制度、氣候條件等的不同或變化，不同國家或地區(qū)玉米種植區(qū)的鐮孢菌種群組成和分布存在差異。陜西關(guān)中主要是禾谷鐮孢菌，廣西主要是串珠鐮孢菌和同色鐮孢菌，湖北主要是串珠鐮孢菌，山東主要以瓜果腐霉菌為主，并以禾谷鐮孢菌復(fù)合侵染所致。河南省玉米莖腐病是由多種鐮孢菌單一或者復(fù)合侵染引起的，其中包括禾谷鐮孢菌、半裸鐮孢菌（F. semitectum ）、層出鐮孢菌和輪枝鐮孢菌及其中間變種（F. moniliforme var intarmadium），還有尖孢鐮孢菌（F. oxysporum ）。其中禾谷鐮孢菌分布廣，分離頻率高，致病性最強；輪枝鐮孢菌次之。

田間病原菌可侵染玉米的根、莖和穗等組織，導(dǎo)致苗枯、根腐、莖腐和穗腐等病害。從開始發(fā)現(xiàn)病葉到整株發(fā)病，一般經(jīng)歷5～8d。根部發(fā)病后，表現(xiàn)根腐，初生根和次生根腐爛變短，根囊皮松脫，髓部變?yōu)榭涨?，須根和根毛減少，整個根部極易拔出。莖部發(fā)病后，在莖基節(jié)間產(chǎn)生縱向擴展的不規(guī)則狀褐斑，其后很快變軟下陷，內(nèi)部空松，組織腐爛，維管束呈絲狀游離，可見白色或玫瑰紅色的菌絲，隨后在產(chǎn)生玫瑰紅色菌絲的殘稈表面可見藍黑色的子囊殼。莖稈發(fā)病后，表現(xiàn)腐爛，自莖基第1節(jié)開始向上擴展，可發(fā)展第2～3節(jié)，甚至全株，病株極易倒折。葉部發(fā)病后，葉片一般不產(chǎn)生病斑，葉部癥狀一般呈現(xiàn)青灰色干枯。植株感病害，后期通常伴隨有玉米穗下垂，穗柄柔韌較軟，果穗小，穗軸心干縮，籽粒干癟不飽滿，千粒重顯著下降，而且沒有光澤，脫粒困難。

二、致病機制

玉米在苗期就能被病原菌侵染，但只有到植株散粉期才能擴展到莖基部，一般在玉米灌漿末期開始發(fā)病，乳熟末期至蠟熟期為發(fā)病高峰期。在整個侵染循環(huán)過程中，病原菌對植株的破壞包括其自身的繁殖過程，產(chǎn)生對植株有毒害作用的細(xì)胞壁降解酶、毒素降解寄主細(xì)胞；另外，利用被降解的組織細(xì)胞。通過繁殖出的孢子來堵塞植株的營養(yǎng)運輸?shù)?。大量研究表明，?xì)胞壁降解酶能明顯分解幼苗胚根的細(xì)胞壁的中膠層和其他細(xì)胞壁成分，造成質(zhì)壁分離和原生質(zhì)的外流；寄主細(xì)胞壁分解后產(chǎn)生大量的細(xì)胞壁碎屑和微纖絲，使寄主維管束的紋孔膜堵塞而導(dǎo)致萎蔫癥狀。

三、玉米莖腐病鑒定評價方法

目前，針對玉米莖腐病的鑒定方法主要采用人工接種方法。根據(jù)接種部位不同，分為地上部莖基節(jié)間髓組織注射接種、牙簽接種和米粒接種和地下根部土壤接種。接種時間多數(shù)在抽雄期到散粉期，接種部位在地上第2節(jié)間，于接種后21～28d進行鑒定。其中，牙簽接種和注射接種均屬感染莖基節(jié)間髓組織，其結(jié)果比較一致，牙簽接種和注射接種的致病性受環(huán)境影響較小，其抗性反應(yīng)基本上屬于基因型表現(xiàn)。而且注射接種具有用菌量一致、發(fā)病均勻、接種速度快等優(yōu)點。因此，該方法適用于大量育種試材的抗性鑒定，而土壤接種適用于少量的重要育種試材或主要雜交種大量生產(chǎn)前的抗性評價。但晉齊鳴等研究認(rèn)為，注射接種、牙簽接種雖簡便，但僅根據(jù)第2節(jié)髓部的變褐，并不能真實反映品種的真實抗性。土壤接種主要預(yù)測根系抗性，與自然感病基本相符，但植株發(fā)病易受環(huán)境影響。而播種期接種法和散粉期根埋法，均能產(chǎn)生典型癥狀，播種期接種法較散粉期根埋法省時省力。此外，玉米莖腐病鑒定不同時期存在差異，田間接種成株期發(fā)病率不高，與該病害的特性有較大關(guān)系。多數(shù)研究認(rèn)為，苗期測定結(jié)果可作為參考，成株期的鑒定結(jié)果較為重要。

有關(guān)玉米莖腐病的病情分級和抗性評價標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外學(xué)者進行了界定。龔士琛等將玉米乳熟后期分5個級別鑒定玉米莖腐病病情。標(biāo)準(zhǔn)為：0級，植株正常生長；1級，病株由下而上青枯，占全株葉片的1/4以下，莖基1～2節(jié)無癥狀；2級，青枯葉片占1/2左右，莖基1～2節(jié)稍有水漬狀；3級，青枯葉片占2/3以上，莖基部變軟，果穗開始下垂；4級，全株葉片青枯或枯死，莖基部松軟變褐，果穗下垂、倒伏。王曉鳴等根據(jù)發(fā)病株率將玉米莖腐病病情劃分為5個等級：1級，發(fā)病株率在0%～5.0%，高抗（HR）；3級，發(fā)病株率在5.1%～10.0%，抗病（R）；5級，發(fā)病株率在10.1%～30.0%，中抗（MR）；7級，發(fā)病株率在30.1%～40.0%，感?。⊿）；9級，發(fā)病株率在40.1%～100%，高感（HS）。目前，在國家玉米新品種審定中，針對玉米莖腐病的評價標(biāo)準(zhǔn)與王曉鳴的相一致。

四、玉米莖腐病遺傳研究進展

（一）玉米對莖腐病的抗性機制

玉米對病原菌的抗性是形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化代謝協(xié)同作用的結(jié)果。玉米灌漿期葉面積大小、莖節(jié)密度、莖稈硬度、根系拔力都可以對玉米的抗病性產(chǎn)生影響。研究表明，玉米莖腐病的發(fā)病率與莖稈硬度存在相關(guān)性，而與莖稈直徑、莖皮厚度之間沒有相關(guān)性；莖稈越硬，拔根所需力越大，抗性越強。此外，寄主超微結(jié)構(gòu)的變化也是一種抗病反應(yīng)，如抗病植株主根和莖基部皮層細(xì)胞壁及中柱維管束的細(xì)胞壁厚，大導(dǎo)管數(shù)量多，篩管細(xì)胞粗短。在玉米生理代謝過程中，玉米對莖腐病的抗性機制是以可溶性糖含量為基礎(chǔ)，酚類物質(zhì)和鉀、硅元素代謝為核心，膜脂過氧化、滲透調(diào)節(jié)、病程相關(guān)蛋白誘導(dǎo)等因子共同參與的復(fù)合防御體系。因此，抗性品種接種后通過提高組織內(nèi)含糖量、防御酶系酶活性，誘導(dǎo)新的同工酶、木質(zhì)素和酚類物質(zhì)的合成來提高玉米對莖腐病的抗性。莖稈含糖量越高，抗莖腐病能力就越強。另外，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，合理施用氯化鉀能增強玉米對莖腐病的抗性，降低發(fā)病率，提高玉米產(chǎn)量。鉀素作為植物所必需的大量元素之一，與植物體內(nèi)碳水化合物的合成和轉(zhuǎn)化關(guān)系密切。在缺鉀條件下，病原菌的入侵造成幼根中的蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性下降，蔗糖的合成受阻，植株只能被動地依靠已有的碳水化合物為抗病代謝提供能量和原料，促使蔗糖含量顯著降低。而在充足供鉀的條件下，SPS和蔗糖合成酶（SS）活性增加，植株擁有較活躍的糖代謝能力，對植株體內(nèi)蔗糖含量起到了協(xié)調(diào)作用，從而提高了植物的抗性。因此，施鉀有利于增加病原菌侵染后幼根組織SS和SPS基因的表達量，提高SS和SPS的活性，維持被侵染部位正常的糖代謝水平。

（二）玉米莖腐病的遺傳研究

多數(shù)研究認(rèn)為，玉米對莖腐病的抗性是數(shù)量性狀受多個基因控制，以加性基因效應(yīng)為主。許明學(xué)等對1 549份試材進行接種試驗，結(jié)果表明，玉米對莖腐病的抗性主要由基因加性效應(yīng)控制，基因加性方差占遺傳總方差的66.3%～71.3%。陳永欣通過對抗性不同的10個自交系的雙列雜交試驗指出，正反交抗性差異不明顯，屬于核基因控制性狀，F(xiàn)1代主基因的加性效應(yīng)大于顯性效應(yīng)，為數(shù)量遺傳，抗性遺傳力較高，親代與F1之間的相關(guān)系數(shù)達顯著水平。宋玉墀等報道指出，玉米對莖腐病的抗性表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳的特點，加性效應(yīng)是重要組成部分，屬核基因控制。此外，王奎生等利用6個組合的6個世代材料分析玉米莖腐病的抗性基因效應(yīng)，結(jié)果表明，抗病性在世代間有顯著差異，抗病性同時受基因加性和上位性效應(yīng)的控制。另外，也有研究認(rèn)為玉米莖腐病病原菌復(fù)雜，由多種病原菌復(fù)合侵染所致，玉米對莖腐病病原抗性因不同材料和病原菌所表現(xiàn)的抗性遺傳形式可能不同。Toman等通過對單病原菌接種試驗，首次提出玉米對青枯病的抗性可能是由顯性單基因控制。王振華研究認(rèn)為，不同致病菌的抗性遺傳方式歸納起來可分為兩種：多基因控制的數(shù)量遺傳且多為加性效應(yīng)占主導(dǎo)地位和由少數(shù)核基因控制的簡單遺傳。陳紹江等以禾谷鐮孢菌和禾生腐霉菌混合接種，研究認(rèn)為禾谷鐮孢菌和禾生腐霉菌的抗性基因是同一基因，而且是顯性單基因。近年來，隨著分子標(biāo)記技術(shù)不斷更新，玉米莖腐病QTL定位研究也取得了一些進展。Yang等通過接種禾谷鐮孢菌，把玉米莖腐病抗性基因定位于第6號染色體上，并找到緊密連鎖SSR標(biāo)記mmc0241。另外，Yang等利用回交群體，檢測到1個玉米莖腐病抗性的主效QTL qRfg1，該主效QTL的抗性效應(yīng)在DH群體、F2群體、高世代回交群體中得到了進一步驗證，并將其精細(xì)定位在標(biāo)記SSR334和SSR58之間，物理距離約為500kb。此外，徐作廷等研究認(rèn)為， 玉米莖腐病的抗性與農(nóng)藝性狀的遺傳相關(guān)，即莖腐病病株率與穗行數(shù)、千粒重分別具有顯著的正向和負(fù)向的遺傳相關(guān)；病株率和病情指數(shù)分別與株高、穗位高、莖粗、生育期和病毒病呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與雙穗率呈顯著的正遺傳相關(guān)，與大斑病、小斑病和空稈率相關(guān)不顯著。張培坤等研究認(rèn)為，玉米品種間對青枯病的抗性存在著顯著的差異性，不同品種其發(fā)病程度也不同。一般來說，中晚熟品種較抗病，分析認(rèn)為可能是由于生育期長，制造積累的營養(yǎng)物質(zhì)多，增強其抵抗能力所致。

（三）玉米莖腐病的育種研究

目前，針對玉米莖腐病的防治主要以選用抗病的品種為最常用、最有效的方法。選擇抗源是抗病育種的關(guān)鍵，抗源基因的尋找可以擴展到玉米的近緣屬材料，例如大芻草、高粱等，然后依據(jù)玉米對不同病原菌抗性的遺傳方式，采用不同的方法。對于抗性的數(shù)量遺傳方式，采用混合選擇和輪回選擇改良玉米。另外，自交系對莖腐病的抗性提高是有效的，而對某些病原菌的抗性表現(xiàn)為質(zhì)量性狀，可將某一自交系和優(yōu)良抗源進行雜交，然后再與這個自交系進行回交可改進其抗性，也可采用交替自交和回交的方法。注意，不管采用什么方法，在選育抗病品種時，應(yīng)將其放在綜合表現(xiàn)中測試，以防抗病與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。此外，綜合玉米對莖腐病的抗性機制，選擇葉片較大，莖稈硬度強，根系拔力大，灌漿期莖稈中蔗糖、木質(zhì)素含量高，酶活性高的植株將明顯提高抗病育種效率。近年來，在河南大部分地區(qū)選擇種植抗病較強的品種有鄭單958、先玉335、鄭單538、鄭單1002等。

五、存在的問題

近年來，國內(nèi)外對玉米莖腐病的研究取得了一些成績，但同時也存在一些問題。

（一）缺乏準(zhǔn)確的表型鑒定方法

由于病原菌的復(fù)雜性以及外界大規(guī)模發(fā)病環(huán)境條件的不可控性，給玉米莖腐病的鑒定帶來了很大困難。目前，大多數(shù)研究主要針對一種致病菌進行單因子研究，而田間實際發(fā)病多數(shù)是由多個致病因子綜合作用的結(jié)果，因此，玉米莖腐病評價鑒定體系需要進一步不斷完善、更新。

（二）生產(chǎn)中缺少抗性強而穩(wěn)定的推廣品種

玉米莖腐病作為一種典型土傳病害，目前生產(chǎn)中推廣的主栽品種以感病品種居多。隨著我國玉米育種目標(biāo)的調(diào)整，適應(yīng)當(dāng)前或以后玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗逆及機械收粒的戰(zhàn)略目標(biāo)將是我們努力的方向。

（三）遺傳機理或功能基因研究較淺，缺乏與抗病基因相關(guān)的有效分子標(biāo)記

盡管目前一些抗病誘導(dǎo)基因己在一些植物中被鑒定，但抗病機制研究較淺，多數(shù)研究僅圍繞單個基因進行，而未系統(tǒng)研究基因間的相互作用機制或基因在生物體內(nèi)的代謝調(diào)控機制。

六、對未來的展望

未來玉米莖腐病的研究方向主要從以下幾個方面著手：

（一）借鑒已有的研究結(jié)果，完善現(xiàn)有的設(shè)施或方法，在為病害發(fā)生創(chuàng)造良好的發(fā)病條件前提下，對玉米抗病性鑒定指標(biāo)進行遺傳研究，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)評價體系。

（二）利用多途徑或多方法，如誘變技術(shù)、轉(zhuǎn)基因以及單倍體技術(shù)，創(chuàng)造抗源材料，豐富現(xiàn)有的種質(zhì)資源庫。

（三）利用高通量的分子標(biāo)記技術(shù)，開發(fā)大量高效的分子標(biāo)記，通過精細(xì)定位并克隆優(yōu)質(zhì)抗病主效QTL，以提高分子標(biāo)記輔助選擇在玉米對莖腐病抗性遺傳改良中的應(yīng)用效率。

（四）基于目前玉米基因組數(shù)據(jù)庫信息，利用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)如RNA-seq技術(shù)、全基因組重測序技術(shù)，對玉米莖腐病抗性進行全基因組范圍的功能基因研究，進而來揭示出玉米抗性遺傳機制。