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    湖南省稻瘟病菌無毒基因鑒定

    2016-05-30 14:38:13劉翔任佐華陳娟芳毛銳戴良英劉二明
    關(guān)鍵詞:湖南省

    劉翔 任佐華 陳娟芳 毛銳 戴良英 劉二明

    摘要:【目的】了解湖南省稻瘟病菌無毒基因組成,為培育水稻新品種及合理布局抗稻瘟病品種提供參考依據(jù)?!痉椒ā坎捎?014年分離自湖南桃江病圃麗江新團(tuán)黑谷(LTH)上的120個(gè)稻瘟病菌單孢菌株室內(nèi)離體針刺接種于24個(gè)已知抗瘟基因的水稻近等基因系(NILs)上,對(duì)供試菌株進(jìn)行無毒基因鑒定?!窘Y(jié)果】120個(gè)稻瘟病菌含有全部24個(gè)無毒基因,在24個(gè)無毒基因中,出現(xiàn)頻率高于40.00%的有Avr-Pita和Avr-Pish;出現(xiàn)頻率在30.00%~40.00%的無毒基因有Avr-Piz、Avr-Piz5、Avr-Pi3和Avr-Pi9;其余無毒基因出現(xiàn)頻率均較低,特別是Avr-Piks、Avr-Pikp、Avr-Pib、Avr-Pi12和Avr-Pi11出現(xiàn)頻率均低于10.00%。【結(jié)論】含抗性基因Pi-ta和Pi-sh的水稻品種可在湖南省推廣利用;含抗性基因Pi-z、Pi-z5、 Pi-3和Pi-9的水稻品種在湖南推廣時(shí)應(yīng)慎重考慮;含抗性基因Pi-ks、Pi-kp、Pi-b、Pi-12和Pi-11的水稻品種不宜在湖南省推廣利用。

    關(guān)鍵詞: 稻瘟病菌;近等基因系;離體接種;無毒基因;湖南省

    中圖分類號(hào): S511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2095-1191(2016)09-1500-06

    Abstract:【Objective】Composition of avirulent genes types of Magnaporthe oryzae in Hunan province were studied, in order to provide reference basis for breeding of new rice cultivars and rational distribution of blast-resistant cultivars. 【Method】A total of 120 M. oryzae monadic isolates were isolated from rice susceptible cultivars(Lijiangxintuanheigu, LTH) in Hunan Taojiang nurseries in 2014. Then, 24 near-isogenic lines(NILs) with known blast-resistance gene was in vitro inoculated artificially with above isolates by acupuncture, and the avirulent genes of tested isolates were identified. 【Result】The above 120 M. oryzae isolates all carried 24 avirulent genes, among 24 avirulent genes, occurrence frequencies of Avr-Pita and Avr-Pish were more than 40.00%, while occurrence frequencies of Avr-Piz, Avr-Piz5, Avr-Pi3 and Avr-Pi9 ranged from 30.00% to 40.00%, occurrence frequencies of the rest were lower relatively, especially Avr-Piks, Avr-Pikp, Avr-Pib, Avr-Pi12 and Avr-Pi11 with frequency of less than 10.00%. 【Conclusion】The rice cultivars carrying resistant genes Pi-ta and Pi-sh sould be generalized in Hunan province; the rice varieties cultivars carrying resistant genes Pi-z, Pi-z5, Pi-3 and Pi-9 should be considered carefully in their utilization and extension in Hunan province; the rice cultivars carrying blast-resistant genes Pi-ks, Pi-kp, Pi-b, Pi-12 and Pi-11 are not suitable for utilization and extension in Hunan province.

    Key words: Magnaporthe oryzae; near-isogenic lines(NILs); in vitro inoculation; avirulent gene; Hunan province

    0 引言

    【研究意義】由稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae,無性世代為Pyricularia oryzae)引起的稻瘟病在全球各稻區(qū)每年均有不同程度發(fā)生,是水稻上一種嚴(yán)重的真菌性病害。目前,稻瘟病已成為水稻豐產(chǎn)的主要障礙,給我國糧食安全帶來了嚴(yán)重隱患(李楊等,2010;王偉舵等,2015)。利用抗病品種不僅能有效遏制稻瘟病流行,減少或停止使用殺菌劑,大量節(jié)省田間成本,還能避免或減輕因農(nóng)藥而造成的殘毒和環(huán)境污染問題,是防治稻瘟病最安全、經(jīng)濟(jì)和有效的途徑(Liu et al.,2010;文紹山和焦峻,2014)。然而,稻瘟病菌生理小種的遺傳復(fù)雜性和頻繁變異,導(dǎo)致新品種的抗性周期一般為3~5年(Zhou et al.,2007),提高水稻品種的抗瘟水平和延長抗病周期是擺在育種家和病理專家面前的共同難題。因此,鑒定獲得廣譜且抗性穩(wěn)定的抗瘟基因,不斷挖掘和利用優(yōu)質(zhì)抗源,對(duì)水稻抗病育種具有重大意義(Ou,1972)?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究發(fā)現(xiàn),優(yōu)質(zhì)抗源主要來源于以下方面:稻瘟病菌多發(fā)區(qū)域內(nèi)經(jīng)長時(shí)間自然選擇留下的、通過自身定位抗瘟基因的及野生稻和栽培稻等稻種資源中表現(xiàn)出抗稻瘟病的品種(柏斌等,2012)。蘭波等(2010)以30個(gè)水稻抗稻瘟病近等基因系或單基因系為材料,測(cè)定來自江西省的195個(gè)稻瘟病菌單孢菌株的致病性,結(jié)果表明,江西省稻瘟病菌群體含有29個(gè)與測(cè)試抗病基因相對(duì)應(yīng)的無毒基因,其中60.00%菌株表現(xiàn)出強(qiáng)致病性;2006~ 2008年江西省稻瘟病菌群體中分別出現(xiàn)了24、27、29個(gè)無毒基因,其中有24個(gè)無毒基因在各年份均有分布;江西省稻瘟病菌單孢菌株無毒基因組合數(shù)目為0~18個(gè);白珍安(2011)對(duì)2009年在湖南桃江和瀏陽兩病圃中分離得到的154份稻瘟病單孢菌株進(jìn)行無毒基因鑒定,結(jié)果顯示,供試品系群體參與組合的菌株數(shù)為3~15個(gè),菌株數(shù)為6、7、8、11和12的組合類型較多;童建新(2012)于2010年在湖南桃江病圃中麗江新團(tuán)黑谷(LTH)上分離得到103份稻瘟病菌品系,其中供試品系群體參與組合的菌株數(shù)為4~22個(gè),組合類型較多的菌株數(shù)為14、15、16、17、19個(gè);虞選杰(2014)于2012年在湖南桃江病圃中LTH上分離得到100份稻瘟病菌品系,研究發(fā)現(xiàn)供試品系群體參與組合的菌株數(shù)為0~18個(gè),組合類型較多的菌株數(shù)為1個(gè)?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】湖南桃江病圃種植的水稻品種和育種材料年均在1000份以上,稻瘟病菌遺傳多樣性豐富而復(fù)雜。本課題組近年來研究湖南省稻瘟病菌群體的遺傳變異分布格局,發(fā)現(xiàn)LTH上的稻瘟病菌遺傳具有明顯的多樣性,能代表特定稻區(qū)稻瘟病菌遺傳組成。目前,對(duì)湖南桃江稻瘟病菌群體遺傳結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)態(tài)研究的文獻(xiàn)報(bào)道較少?!緮M解決的關(guān)鍵問題】采用2014年分離自湖南桃江病圃麗江新團(tuán)黑谷上的120個(gè)稻瘟病菌單孢菌株室內(nèi)離體針刺接種于24個(gè)已知抗瘟基因型的水稻近等基因系上,對(duì)供試菌株進(jìn)行無毒基因鑒定,以掌握湖南稻瘟病菌無毒基因組成,為培育水稻新品種和合理布局抗稻瘟病品種提供參考依據(jù)。

    1 材料與方法

    1. 1 供試材料

    24個(gè)近等基因系水稻(NILs)和對(duì)照高感品種麗江新團(tuán)黑谷(LTH)由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病理學(xué)系彭友良教授提供,所含單基因見表1。120個(gè)稻瘟病菌單孢菌株于2014年分離自湖南桃江病圃LTH上。

    1. 2 試驗(yàn)方法

    1. 2. 1 育苗 使用集調(diào)酸(pH 4.5左右)、肥料和殺菌為一體的特制育苗調(diào)節(jié)劑均勻混拌在腐殖土3~5 cm的土層中作為育苗土。供試種子經(jīng)曬種后裝在針刺過的塑料袋中,于26~28 ℃用清水浸泡2 d,期間換水2~3次;浸種結(jié)束后,在搪瓷盤中于35 ℃下高溫破胸1 d,當(dāng)種子露白時(shí)28~30 ℃催芽1~2 d,搪瓷盤底鋪濕報(bào)紙、上鋪吸水紗布以促進(jìn)芽的生長。

    準(zhǔn)備25個(gè)育苗盤(26 cm×19 cm×7 cm),每盤種植1個(gè)品種,待種子芽長達(dá)0.1 cm左右時(shí)將其均勻撒播在盤內(nèi),待長至5葉1心時(shí)供接種使用。

    1. 2. 2 菌株產(chǎn)孢培養(yǎng) 用番茄燕麥培養(yǎng)基(番茄汁150 mL、燕麥片40 g、CaCO3 0.6 g,定容至1000 mL)對(duì)稻瘟病菌單孢菌株進(jìn)行活化,7~10 d后菌落直徑為整個(gè)培養(yǎng)基的2/3時(shí)加入1 mL無菌水,用涂抹棒將菌落上的菌絲和孢子刮落,得到稻瘟病菌懸液,用微量移液槍吸取菌懸液轉(zhuǎn)接至新的培養(yǎng)基上并涂抹均勻,當(dāng)傾斜培養(yǎng)基無明顯液滴時(shí)封口并置于27 ℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)2~3 d后,培養(yǎng)基表面重新長滿一層氣生菌絲,用棉棒擦拭以打斷氣生菌絲,并用無菌水沖洗培養(yǎng)基表面,待晾干后以報(bào)紙為皿蓋包裹,27 ℃下光照黑暗交替培養(yǎng)1~2 d,即可產(chǎn)生大量分生孢子(張國珍等,2002)。

    1. 2. 3 孢子懸浮液制備 取培養(yǎng)好的稻瘟病菌分生孢子,用無菌水配制成分生孢子濃度為2×105個(gè)/mL。接種前在配置好的分生孢子懸液中加入1‰ Tween-20懸浮液,供接種使用。

    1. 2. 4 針刺離體接種 接種前3 d將試驗(yàn)用塑料培養(yǎng)皿洗凈并放入接種室內(nèi)進(jìn)行消毒,事先準(zhǔn)備好無菌水、手套及滅菌濾紙片、牙簽等物品。接種前1 d給接種室通風(fēng),同時(shí)準(zhǔn)備培養(yǎng)皿(濕潤的濾紙?jiān)谙?,上放兩根牙簽)。選取尚未完全展開的供試水稻嫩葉并剪成長短均勻的3片葉段,均勻針刺其得到傷口,將葉段置于鋪有濾紙和牙簽的培養(yǎng)皿中。先用濕濾紙條壓住葉段的一端,使葉段彎曲形成拱狀并壓住另一端,以防止葉片與濕濾紙相接觸而導(dǎo)致菌液無法懸浮于葉片上,最后貼上標(biāo)簽備用。

    用10 μL的移液器吸取5 μL上述制備的孢子懸浮液,均勻接種于葉片上,每片3滴。離體穗段接種孢懸液后,人為控制發(fā)病條件鑒定120個(gè)供試菌株與24個(gè)NILs的親和反應(yīng)類型。為保證接種室內(nèi)的環(huán)境因素能滿足病菌侵染需要,培養(yǎng)皿下鋪有濕潤的保鮮膜和卷筒紙(保鮮膜在最下方),上鋪一層濕潤保鮮膜,調(diào)節(jié)溫度恒定在28 ℃,先黑暗處理2 d,其后黑暗光照交替培養(yǎng)2~5 d,對(duì)NILs的發(fā)病情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并拍照。

    1. 3 調(diào)查項(xiàng)目及方法

    1. 3. 1 調(diào)查方法 當(dāng)葉片無病斑或有黑褐色壞死斑,且中心無產(chǎn)孢區(qū)時(shí)為抗病,記為R(圖1);當(dāng)病斑較大,中間灰白色,邊緣褐色或外圍有黃色暈圈時(shí)為感病,記為S(圖2)。

    1. 3. 2 菌株致病率及菌群毒力頻率計(jì)算 單個(gè)稻瘟病菌株的致病率(Pathogenic frequency,PF)及致病力類型劃分參考楊秀娟等(2007)的方法。PF(%)=感病水稻品種數(shù)/所有測(cè)試的水稻品種數(shù)×100;當(dāng)PF≥70.0%時(shí)為強(qiáng)致病力,70.0%>PF≥50.0%時(shí)為較強(qiáng)致病力,50.0%>PF≥20.0%時(shí)為中等致病力,PF<20.0%時(shí)為弱致病力。

    稻瘟病菌群體的毒力頻率(Virulence frequency,VF)及毒力類型劃分參考周江鴻等(2003)的方法。VF(%)=對(duì)測(cè)試水稻品種有毒力的菌株數(shù)/所有菌株數(shù)×100;當(dāng)VF≥70.00%時(shí)為強(qiáng)毒力,70.00%>VF≥50.00%時(shí)為較強(qiáng)毒力,50.00%>VF≥20.00%時(shí)為中等毒力,VF<20.00%時(shí)為弱毒力。

    1. 4 統(tǒng)計(jì)分析

    根據(jù)供試菌株對(duì)NILs的致病情況建立0-1數(shù)據(jù)庫,抗病記為1,感病記為0。用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的Nei&Li方法進(jìn)行聚類分析,對(duì)供試菌株進(jìn)行類別劃分并綜合衡量其遺傳差異大小,利用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的最長距離法構(gòu)建其遺傳關(guān)系樹狀圖(白珍安,2011)。

    2 結(jié)果與分析

    2. 1 120個(gè)稻瘟病菌對(duì)24個(gè)NILs的致病率

    用120個(gè)稻瘟病菌單孢菌株對(duì)24個(gè)分別含不同抗瘟基因的近等基因系水稻材料進(jìn)行抗性鑒定,結(jié)果表明,高感對(duì)照品種LTH全部發(fā)病,120個(gè)供試菌株對(duì)供試24個(gè)NILs的致病率為40.0%~100.0%。其中,PF≥70.0%的菌株有92株,占總菌數(shù)的76.67%;70.0%>PF≥50.0%的菌株有24株,占總菌數(shù)的20.00%;50.0%>PF≥20.0%的菌株有4株,占總菌數(shù)的3.33%。供檢測(cè)用稻瘟病菌菌株多表現(xiàn)為強(qiáng)或較強(qiáng)致病性,說明湖南桃江病圃中LTH上的稻瘟病菌以廣譜強(qiáng)致病性菌株為主,對(duì)供試已知抗性基因的水稻材料有較強(qiáng)的致病能力。

    2. 2 120個(gè)稻瘟病菌對(duì)24個(gè)NILs的毒力頻率

    從表2可知,供試120個(gè)稻瘟病單孢菌株對(duì)24個(gè)已知抗瘟基因的水稻材料表現(xiàn)出不同程度的毒力,平均毒力頻率為77.22%。毒力頻率最高的抗性基因是Pi-kp(96.67%),最低的是Pi-sh(55.00%);毒力頻率介于60.00%~70.00%的抗性基因有4個(gè),分別為Pi-z、Pi-z5、Pi-3和Pi-9,推廣其相應(yīng)的水稻品種時(shí)應(yīng)慎重考慮;其余抗瘟基因的毒力頻率大多高于70.00%,屬強(qiáng)毒力,特別是Pi-ks、Pi-kp、Pi-b、Pi-12和Pi-11的毒力頻率高于90.00%,說明其抗病基因?qū)鲜〉疚敛【鷰缀跏タ剐?,含有這些抗性基因的水稻品種在湖南省推廣利用的價(jià)值不高。

    2. 3 稻瘟病菌無毒基因分析

    用24個(gè)已知抗性基因的NILs對(duì)120個(gè)供試菌株進(jìn)行無毒基因鑒定,針刺離體接種結(jié)果顯示,供試菌株中含所有上述NILs相對(duì)應(yīng)的無毒基因,其中,Avr-Pita和Avr-Pish的出現(xiàn)頻率在40.00%以上;Avr-Piz、Avr- Piz5、Avr-Pi3和Avr-Pi9的出現(xiàn)頻率為30.00%~40.00%;其余無毒基因出現(xiàn)頻率均較低,尤其是Avr-Piks、Avr-Pikp、Avr-Pib、Avr-Pi12和Avr-Pi11在供試菌株中的出現(xiàn)頻率低于10.00%。

    2. 4 稻瘟病菌無毒基因組合

    120個(gè)稻瘟病菌株中分別含有2~22個(gè)數(shù)目不等的基因組合,共13個(gè)類型,其中含11、15、21和22個(gè)無毒基因組合的菌株占較大比例,合計(jì)占供試菌株群體的57.50%(表3)。

    2. 5 供試菌株對(duì)24個(gè)NILs的致病性分化

    120個(gè)供試菌株對(duì)24個(gè)NILs的致病率在40.0%~ 100.0%,聚類分析發(fā)現(xiàn),致病率接近及相同的菌株在致病相似性上差異很明顯(圖3)。如80、84、85和86號(hào)菌株的致病率均為87.5%,但致病性的遺傳距離有明顯差異;又如24、54和114號(hào)菌株致病率分別為87.5%、91.7%和91.2%,致病相似性差異小,但三者的相似系數(shù)為0.4,表明供試菌株存在致病性分化現(xiàn)象。

    3 討論

    本研究利用24個(gè)已知抗瘟基因型的NILs對(duì)2014年分離自湖南桃江病圃LTH上的120個(gè)稻瘟病單孢菌株進(jìn)行無毒基因鑒定,結(jié)果表明,供檢測(cè)用稻瘟病菌菌株多表現(xiàn)為強(qiáng)或較強(qiáng)致病性。蘭波等(2010)認(rèn)為病原菌的毒力頻率不僅可反映其自身的毒性,還能反映寄主的抗病性。本研究發(fā)現(xiàn),毒力頻率高于90.00%的抗性基因?yàn)镻i-ks、Pi-kp、Pi-b、Pi-12和Pi-11,說明其抗病基因?qū)鲜〉疚敛【鷰缀跏タ剐?,生產(chǎn)中應(yīng)避免使用含有相應(yīng)基因的水稻品種;毒力頻率介于60.00%~70.00%的抗性基因有Pi-z、Pi-z5、Pi-3和Pi-9,在推廣與其相應(yīng)的水稻品種時(shí)應(yīng)慎重考慮。

    稻瘟病菌無毒基因與水稻抗病基因間的互作機(jī)制符合Flor的“基因?qū)蚣僬f”(虞選杰,2014)。本研究結(jié)果表明,供試稻瘟病菌菌株含有與所有測(cè)試抗瘟基因相對(duì)應(yīng)的24個(gè)無毒基因,并以不同的頻率出現(xiàn),其中,Avr-Piz、Avr-Piz5、Avr-Pi3和Avr-Pi9的出現(xiàn)頻率為30.00%~40.00%,因此,含有Pi-z、Pi-z5、Pi-3和Pi-9抗性基因的水稻材料在湖南省內(nèi)推廣前需進(jìn)行田間自然誘發(fā)鑒定,綜合評(píng)價(jià)它們?cè)诤鲜〉睦脙r(jià)值。

    童建新(2012)和虞選杰(2014)的研究結(jié)果表明,分離自LTH上的單孢菌株群體遺傳結(jié)構(gòu)相比于其他栽培品種上稻瘟病菌的群體遺傳結(jié)構(gòu)更具代表性,因此本研究的供試菌株具有一定代表性,但由于湖南省地形復(fù)雜,水稻栽培品種多樣,這些菌株并不能完全反映湖南省稻瘟病菌群體的自然狀況,今后仍需多地采集LTH感病標(biāo)樣分離稻瘟病菌單孢菌株,測(cè)定其無毒基因的組成及分布。本研究結(jié)果同時(shí)證明了稻瘟病菌存在復(fù)雜的致病性分化,在稻瘟病菌與水稻品種協(xié)同進(jìn)化過程中,病菌中的無毒基因組成會(huì)隨著水稻抗病基因組成的變化而發(fā)生相應(yīng)變動(dòng)。理論上,水稻品種多樣性有利于稻瘟病菌群體的多樣性,不利于稻瘟病菌優(yōu)勢(shì)生理小種的產(chǎn)生,進(jìn)而在一定程度上減輕稻瘟病的危害。因此,除了選育含新的抗瘟基因的水稻品種外,還應(yīng)注意抗瘟基因的合理布局。

    4 結(jié)論

    本研究結(jié)果表明,供試120個(gè)稻瘟病菌菌株中含有全部24個(gè)無毒基因,在24個(gè)無毒基因中,僅Avr-Pita和Avr-Pish的出現(xiàn)頻率高于40.00%,可以考慮在湖南省推廣利用含有與之相對(duì)應(yīng)的抗性基因的水稻品種;Avr-Piz、Avr-Piz5、Avr-Pi3和Avr-Pi9的出現(xiàn)頻率為30.00%~40.00%,在推廣相應(yīng)的水稻品種時(shí)應(yīng)慎重考慮;其余無毒基因的出現(xiàn)頻率均較低,特別是Avr-Piks、Avr-Pikp、Avr-Pib、Avr-Pi12和Avr-Pi11的出現(xiàn)頻率低于10.00%,說明其抗病基因?qū)鲜〉疚敛【鷰缀跏タ剐裕猩鲜隹剐曰虻乃酒贩N不宜在湖南省推廣利用。

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    (責(zé)任編輯 麻小燕)

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