水稻抗紋枯病育種研究及展望

張國(guó)偉,王中源

(1.四川省廣元市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院， 四川 廣元 628000；2.安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司，安徽 合肥 230000)

水稻(Oryza.sativa)是中國(guó)乃至全世界的最重要糧食作物之一，種植面積約占全國(guó)耕地面積的1/4，世界上半數(shù)人口以稻米為食。自20世紀(jì)90年代以來，中國(guó)水稻種植面積減少了567.2萬hm2，但產(chǎn)量卻增加了1129.0萬t，這主要得益于水稻新品種的選育和一些新栽培技術(shù)的實(shí)施。而平均每年因遭受病蟲害損失約10%，為了減少病蟲害，保證水稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，人們一方面不斷加強(qiáng)新型農(nóng)藥的研制，另一方面就是注重培育、選育抗病、抗蟲新品種。目前，在可持續(xù)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)的大趨勢(shì)要求下，培育抗病、抗蟲品種已經(jīng)成為水稻育種的重要目標(biāo)之一。

1　紋枯病的抗性遺傳

1.1　水稻紋枯病發(fā)現(xiàn)及癥狀

水稻紋枯病是僅次于稻瘟病的世界性水稻第二大真菌性病害[1]。20世紀(jì)70年代以來，隨著矮稈、多蘗及高產(chǎn)品種的推廣及高肥、高密植栽培技術(shù)的使用，導(dǎo)致紋枯病危害呈逐年加重的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)自上世紀(jì)80年代以來，水稻因紋枯病而減產(chǎn)面積達(dá)到130萬hm2，損失產(chǎn)量約100萬t。90年代中期對(duì)南方稻區(qū)的調(diào)查表明，紋枯病在我國(guó)南方部分地區(qū)已經(jīng)成為水稻的第一大病害[2]。

1910年，日本學(xué)者宮宅最早發(fā)現(xiàn)了水稻紋枯病[3]。之后，1918年萊因金和1926年帕洛在菲律賓，1932年帕克和伯塔斯在斯里蘭卡相繼報(bào)道了此病。在20世紀(jì)50年代之前的一段時(shí)期，水稻紋枯病曾一度被稱為“東方病害”。60年代之后，世界各地陸續(xù)報(bào)道了水稻紋枯病。在我國(guó)，該病最早發(fā)現(xiàn)于1934年[1]。

水稻紋枯病(Sheathblight)是由立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani Kühn)引起的真菌性病害[1]。它屬于半知菌亞門絲孢綱無孢目絲核菌屬真菌，寄主范圍很廣，可危害260多種植物，如：豆類、甘薯、花生、高粱、玉米、粟、甘蔗等水稻以外的其他主要農(nóng)作物，正是由于紋枯病菌的強(qiáng)致病力和寬寄主范圍，至今尚未發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良抗性的抗源品種[4]。

水稻紋枯病是一種土傳真菌病害，其主要危害水稻的葉鞘，但在條件適宜時(shí)，其菌絲蔓延到水稻的葉片和稻穗上，造成葉片和稻穗發(fā)病。因此，紋枯病的癥狀可以分為葉鞘癥狀、葉片癥狀和穗部癥狀。

1.1.1葉鞘癥狀水稻分蘗末期前后，是其第一個(gè)主要危害期，此時(shí)群體處于假封行期，田間高溫且濕度較大，有利于其發(fā)病。病害開始發(fā)生，病斑始見于水稻基部靠近水面的葉鞘，并于此處形成暗綠色的水漬狀的小斑點(diǎn)，而后逐步擴(kuò)大形成橢圓形或云紋狀。病斑的中央呈灰綠或灰褐色，濕度低時(shí)中部變?yōu)榈S或灰白色，中部組織破壞變?yōu)榘胪该鳡?，邊緣呈暗褐色。?yán)重發(fā)病時(shí)，多個(gè)病斑可連成一片融合形成大病斑，形成不規(guī)則的云紋斑，導(dǎo)致葉片發(fā)黃枯死。

1.1.2葉片癥狀發(fā)病葉片的癥狀同葉鞘，也呈云紋狀，邊緣褪黃，發(fā)病快時(shí)病斑呈污綠色，葉片很快腐爛。

1.1.3穗部癥狀孕穗至抽穗后15d左右，水稻處于第2個(gè)主要受害期，此時(shí)群體處于封行期，病害最重的時(shí)期。若此期間遇陰雨天氣，病情發(fā)展非常迅速，可造成病原菌從劍葉鞘擴(kuò)展至劍葉或穗部。病斑開始時(shí)為污綠色，而后變?yōu)榛液稚?，致使不能抽穗?/p>

1.2　病原菌分類及生物學(xué)特點(diǎn)

在紋枯病病原菌的分類學(xué)研究上，曾出現(xiàn)一度的混亂[5]。1932年，最終由Park和Bertus確定其無性階段，屬半知菌亞門，無孢目，稱立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani Kühn)。其有性階段，多年來一直應(yīng)用1955年S.Ito所命名的Pelliucularia sasakii (Shirai) S.Ito；在20世紀(jì)90年代后，被認(rèn)定為Thanatephorus cucumeris (Trank) Donk，屬擔(dān)子菌亞門，膠膜菌目，稱瓜亡革菌。紋枯病菌主要是在無性世代對(duì)作物造成危害，菌絲生長(zhǎng)的溫度范圍一般在10～36℃之間，最適易生長(zhǎng)的溫度為28～32℃。在相對(duì)濕度為96%以上時(shí)菌核萌發(fā)，低于85%萌發(fā)受抑制。

水稻紋枯病致病菌是一種寬寄主的半腐生性真菌，很難發(fā)現(xiàn)其有性態(tài)，侵染危害主要以無性態(tài)菌絲為主，無性階段于1932年被確定為立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani Kühn)[6,7]。 菌絲幼嫩時(shí)無色，老熟時(shí)淡黃色，較粗壯，直徑8～12μm。一般情況下，菌絲先在葉鞘內(nèi)表面侵染，當(dāng)溫、濕度適宜時(shí)可侵染植株大部分，并造成嚴(yán)重的病害。

2　紋枯病的抗病種質(zhì)資源

2.1　野生稻抗紋枯病基因資源的挖掘

野生稻生長(zhǎng)于惡劣的自然環(huán)境條件，易形成相對(duì)于常規(guī)稻較高抗病能力。因此，與栽培稻相比，在野生稻中存在較多的抗紋枯病基因。我國(guó)在“八五”期間對(duì)2000多份野生稻種質(zhì)資源進(jìn)行了抗性鑒定，發(fā)現(xiàn)中抗紋枯病的有S1001、S1031、S1034 、S3192和S8153等[8]。Prasead和Eizenaga在印度野生稻(Oryzanivara)、巴蒂野生稻(Oryzabarthii)、南方野生稻(Oryzameridionalis)、藥用野生稻(Oryzaofficinalis)等材料中均發(fā)現(xiàn)中抗紋枯病的材料[9]。

目前已定位出的抗紋枯病QTL均是局限于推廣應(yīng)用的栽培稻，對(duì)存在于野生稻中的抗紋枯病基因并沒有相關(guān)的研究報(bào)道。發(fā)掘并鑒定野生稻中存在的抗紋枯病基因，運(yùn)用遠(yuǎn)緣雜交或其他手段將其導(dǎo)入到栽培稻中是獲得優(yōu)異抗病材料途徑之一。

2.2　水稻抗紋枯病種質(zhì)資源的發(fā)掘和創(chuàng)制

水稻抗紋枯病資源的篩選鑒定工作起始于上世紀(jì)30年代。橋?qū)挤?1951)認(rèn)為，中國(guó)大陸、臺(tái)灣省和印尼等地的地方品種中有比較多的水稻抗紋枯病資源，日本品種中抗性資源較少[10]。國(guó)際水稻所(IRRI)于上世紀(jì)70年代初，每年收集和鑒定全球數(shù)千份水稻抗病種質(zhì)資源材料對(duì)紋枯病的抗性；80年代，又通過在不同國(guó)家和地區(qū)建立國(guó)際水稻紋枯病鑒定圃，利用72208份水稻品種或品系進(jìn)行了抗紋枯病的鑒定。結(jié)果表明，95%以上的材料表現(xiàn)中感或高感反應(yīng)，少數(shù)為中抗反應(yīng)，沒有高抗和免疫材料(過崇儉，1985)[5]。據(jù)WuKs(1984)報(bào)道，印度于60年代末也進(jìn)行了水稻抗紋枯病種質(zhì)資源的篩選鑒定工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大部分的材料為中抗以下水平，極少數(shù)的表現(xiàn)抗病或者高抗。但是這些材料的紋枯病鑒定工作受環(huán)境的影響較大，在不同的地方抗性水平有所差異[11]。美國(guó)對(duì)水稻紋枯病的遺傳育種研究工作一直比較重視，近年來對(duì)其研究資金的投入力度越來越大。典型的研究有Lee and Rush(1983) 研究發(fā)現(xiàn)的美國(guó)的長(zhǎng)粒型栽培品種對(duì)紋枯病的抗性水平較低，未發(fā)現(xiàn)達(dá)中抗或以上的抗性材料;而中短粒品種中發(fā)現(xiàn)有抗性品種存在。在這些研究中還鑒定出了一批較抗的水稻紋枯病種質(zhì)資源，如Jasmine85、Guichao2、Teqing Tetep、Laducan、H4/CODF、Riee/Grass、RXCL等[1]。Mckenzie等(1986)對(duì)高稈抗病品種Tetep進(jìn)行CO60輻射誘變處理，從其后代中選育出矮稈早熟抗源P150071和P150072[12]。來自美國(guó)長(zhǎng)粒型粳稻品種Lemont是國(guó)際公認(rèn)的感病品種，在目前水稻紋枯病的遺傳研究中有較多的應(yīng)用。Groth等(1989) 通過回交的手段，將Tetep品種的抗性轉(zhuǎn)移到了Lemont背景中，從而獲得具有Lemont株型并對(duì)紋枯病具有抗性的改良抗源Pr655s[13]。Xie等(1992) 通過體細(xì)胞原生質(zhì)體培養(yǎng)的方法，鑒定獲得兩個(gè)抗病變異系LSBR-5和LSBR-33，這兩個(gè)抗病變異系全部來自感病品種Labelfe[14]。這些材料的選擇和創(chuàng)建對(duì)紋枯病遺傳育種研究都起到了很大的作用。

我國(guó)在20世紀(jì)70年代初就開始對(duì)水稻抗紋枯病進(jìn)行篩選，雖然鑒定出一些抗病材料，但也沒有發(fā)現(xiàn)高抗品種。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊家珍的研究認(rèn)為，秈稻、粳稻中都存在抗源，早稻抗病品種較少，晚稻抗病品種較多，抗性水平達(dá)中抗，未發(fā)現(xiàn)有免疫的材料[15]。湖南從上世紀(jì)70年代中期開始，連續(xù)8年鑒定了不同國(guó)家和地區(qū)的24000份栽培稻和野生稻, 未發(fā)現(xiàn)對(duì)紋枯病理想的抗源，僅有少數(shù)中抗材料(彭紹裘，1986)[16]。近年來，水稻光敏核不育資源的發(fā)現(xiàn)和鑒定，為常用的輪回選擇的育種方法提供了方便材料。朱立宏等(1990)[17]用核不育材料為受體親本，與若干優(yōu)良中抗水平的品種(系) 初步建立了輪回選擇體系，以積累不同材料中的微效基因，已得到一些抗性明顯優(yōu)于親本、農(nóng)藝性狀得到改良的中間材料。關(guān)于水稻對(duì)紋枯病的耐病特性，陳志誼(1992)[18]報(bào)道，同樣表現(xiàn)中抗的品種(病害嚴(yán)重度30. 0左右)，其產(chǎn)量損失差異也很大。有些品種的損失率達(dá)12%，而有些則僅為2%～3%。有些品種如汕優(yōu)3號(hào)、揚(yáng)州稻2號(hào)等，病斑雖然擴(kuò)展到上2葉、甚至劍葉，但最后產(chǎn)量損失很小。利用這些耐病品種來對(duì)付水稻紋枯病，有一定實(shí)際意義。

利用生物技術(shù)手段來提高水稻抗紋枯病水平, 是另一條值得重視的途徑。據(jù)Xie( 1987) 報(bào)道, 通過組織培養(yǎng)產(chǎn)生的無性變異體中, 獲得了抗性明顯優(yōu)于抗病親本Tetep和Taducan 的材料。今后如果結(jié)合誘變技術(shù)和組織水平的抗性鑒定技術(shù)，選擇效果可能會(huì)更好。

2.3　抗病品種的選育

對(duì)于水稻的抗性品種的選育始于上世紀(jì)70年代，迄今，世界各國(guó)的研究者已對(duì)近十萬分的水稻種質(zhì)資源進(jìn)行了抗性鑒定，雖然肯定了一批抗性穩(wěn)定的優(yōu)良品源，如Tetep、Jasmine85、特青等，但還未發(fā)現(xiàn)對(duì)該病高抗或免疫的品種。即使在已獲得的這些具有部分抗性的抗源中，大部分的品種品質(zhì)較差，并且綜合性狀不良，難以在生產(chǎn)上直接利用。陳宗祥等[19]對(duì)“十五”期間江蘇主要栽培的粳稻品種進(jìn)行抗性鑒定，結(jié)果表明，供試的67個(gè)品種平均病級(jí)為5.5級(jí)左右(0～9級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))，即所有供試品種表現(xiàn)中感。傳統(tǒng)的抗病遺傳育種方法未能解決水稻對(duì)紋枯病的抗性問題，有些學(xué)者把目光聚集到了轉(zhuǎn)基因育種，即將內(nèi)，外源廣譜的抗真菌基因，如幾丁質(zhì)酶基因、葡聚糖酶基因以及來自拮抗微生物的基因轉(zhuǎn)入水稻中，以提高其抗病性。

3　展望

傳統(tǒng)的育種方法主要是依據(jù)作物在田間的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇，即通過表型間接對(duì)基因型進(jìn)行選擇[20]，要求有大量的育種經(jīng)驗(yàn)和很長(zhǎng)的育種時(shí)間。因此，如何提高育種過程中的選擇效率，減少其盲目性成為拓展品種生產(chǎn)力的關(guān)鍵[21]。借助分子標(biāo)記輔助選擇可以在作物的早期世代進(jìn)行選擇，從而縮短育種進(jìn)程，不受環(huán)境干擾，不受等位基因顯隱性關(guān)系影響，而且可以提高選擇的精確度，選擇結(jié)果真實(shí)可靠。

隨著分子標(biāo)記及相關(guān)技術(shù)的日趨高通量化，以及各種作物上發(fā)現(xiàn)的有效主基因和主效數(shù)量基因的大量增加，很多研究者已嘗試將這些基因應(yīng)用于育種實(shí)踐，且提出了很多有價(jià)值的研究思路和運(yùn)用策略。盡管對(duì)質(zhì)量性狀基因的標(biāo)記輔助選擇已有不少成功的事例，然而，在數(shù)量基因的輔助選擇研究上則少有報(bào)道。但是很多育種實(shí)踐的性狀屬于數(shù)量性狀，只有將QTL應(yīng)用于育種實(shí)踐，才能達(dá)到真正的標(biāo)記輔助育種。

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