玉米灰斑病抗性種質(zhì)與基因位點(diǎn)的研究進(jìn)展

譚 靜， 羅 吉， 孫彩梅， 王文瑞

(云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 昆明 650500)

玉米(ZeaMaysL.)是重要的糧、經(jīng)、飼兼用作物，自1998年以后產(chǎn)量超過水稻，躍居全球第一大作物。病害是限制玉米生產(chǎn)的一個(gè)主要因素，其中灰斑病是影響我國(guó)東北、華中、西南三大玉米產(chǎn)區(qū)的重要病害[1]。玉米灰斑病是一種真菌性葉部病害，主要危害葉片，也侵染葉鞘和苞葉，嚴(yán)重發(fā)生使葉片枯死、莖稈腐爛和倒伏，并最終導(dǎo)致減產(chǎn)[2]。該病最早于1925年在美國(guó)伊利諾斯州發(fā)現(xiàn)[3]，目前已遍布美國(guó)玉米帶和亞洲、非洲、南美的許多國(guó)家[4-8]?；野卟≡谖覈?guó)最早于1991年在遼寧丹東地區(qū)發(fā)生[9]，目前已蔓延至全國(guó)各玉米產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量損失一般在5%～30%之間，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)60%以上，甚至絕收[10-12]。在西南高海拔玉米種植區(qū)，灰斑病發(fā)生更為普遍，危害也更加嚴(yán)重，已成為該地區(qū)玉米生產(chǎn)的最重要病害[13-16]。

1 病原菌分化

自1925年玉米灰斑病被首次發(fā)現(xiàn)報(bào)道，其病原菌一直被認(rèn)為是玉蜀黍尾孢菌(Cercosporazeae-maydis)[3]，直到2006年玉米尾孢菌(Cercosporazeina)被發(fā)現(xiàn)[17]。至今全球已報(bào)道玉米灰斑病的致病菌共有4個(gè)種：玉蜀黍尾孢菌，全球玉米灰斑病的主要致病菌；玉米尾孢菌，美國(guó)東部和非洲南部、東部等地區(qū)有報(bào)道；高粱尾孢菌玉米變種(Cercosporasorghivar. maydis)，目前僅見美國(guó)和肯尼亞；另有1個(gè)還未確定學(xué)名[4,16-20]。其中玉蜀黍尾孢菌和玉米尾孢菌這2個(gè)種報(bào)道較多，它們?cè)谛螒B(tài)上非常相似，但生長(zhǎng)特性和分子特征有明顯差異[16-17]；而且在生態(tài)適應(yīng)性和寄主適合度方面也存在差異，前者主要分布在美國(guó)溫度偏高、濕度較低的中部地區(qū)，后者主要分布在美國(guó)溫度偏低、濕度較高的東部地區(qū)；雖然2個(gè)種內(nèi)各自菌株間存在差異，但2個(gè)種之間在致病性、侵襲力和毒力方面并未表現(xiàn)出顯著不同[20]。

在國(guó)內(nèi)，至今報(bào)道引起玉米灰斑病的病原菌只有2個(gè)種：1991年在丹東發(fā)現(xiàn)的首例玉米灰斑病的病原菌為玉蜀黍尾孢菌[21]，這是國(guó)內(nèi)大部分玉米產(chǎn)區(qū)灰斑病的致病菌；直到2013年在西南地區(qū)首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了玉米尾孢菌[16,22]。劉慶奎等[16]從國(guó)內(nèi)不同地區(qū)采集的玉米灰斑病病樣中分離獲得的菌株，經(jīng)過鑒定確認(rèn)其中65個(gè)菌株為玉蜀黍尾孢菌、71個(gè)菌株為玉米尾孢菌，前者是北方地區(qū)玉米灰斑病的唯一致病種，而后者是西南地區(qū)玉米灰斑病的主要致病種。劉可杰等[23]比較了這2種致病菌的生物學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)玉米尾孢菌的分生孢子萌發(fā)要求較低的溫度和偏堿性的條件，說明玉米尾孢菌的分布范圍要比玉蜀黍尾孢菌窄。由于玉米尾孢菌灰斑病發(fā)現(xiàn)得較晚，國(guó)內(nèi)有關(guān)它的系統(tǒng)研究還較少。

2 抗性種質(zhì)鑒定

玉米灰斑病一般采用人工接種和自然發(fā)病的方法進(jìn)行抗性鑒定，其中人工接種常用的方法有噴霧法、灌心法及注射法[24]。實(shí)踐表明，玉米9～11葉期為灰斑病的最佳接種時(shí)期，接種前進(jìn)行田間澆灌有利于病菌侵染和病害發(fā)展[24-27]。病情評(píng)價(jià)在玉米乳熟期進(jìn)行，主要調(diào)查接種部位的上、下葉片，具體又可分為病害發(fā)生率和發(fā)病嚴(yán)重度等不同的調(diào)查方法[27]，實(shí)際應(yīng)用中一般采用我國(guó)病害鑒定通用的葉斑病病級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[25,28]。對(duì)玉米種質(zhì)進(jìn)行灰斑病抗性鑒定時(shí)，不僅要注意方法的選擇，而且還要注意評(píng)價(jià)次數(shù)和時(shí)間的選擇，同時(shí)一個(gè)適合鑒定的環(huán)境也是很關(guān)鍵的[24]。但玉米灰斑病的病原菌人工培養(yǎng)較難以及發(fā)病要求的環(huán)境較難控制，因此利用重病區(qū)的自然發(fā)病也是灰斑病抗性鑒定的有效途徑。

玉米豐富多樣的遺傳基礎(chǔ)為直接篩選獲得抗灰斑病種質(zhì)提供了可能。吳紀(jì)昌等[21]對(duì)包含915份自交系共1 448份玉米種質(zhì)進(jìn)行了灰斑病抗性鑒定，發(fā)現(xiàn)具有熱帶或者亞熱帶血緣的玉米種質(zhì)具有良好的抗病性；抗病系丹黃19、沈137等配出的雜交組合基本都表現(xiàn)出極好的抗病性，且雜交種的抗病性介于雙親之間并更靠近抗病性強(qiáng)的親本。徐秀德等通過人工接種的方法對(duì)20份玉米自交系進(jìn)行了灰斑病抗性鑒定，發(fā)現(xiàn)Y 078、丹黃25、Y 062等表現(xiàn)高抗，沈137、丹黃34、齊319、高3等表現(xiàn)抗病或中抗[24]。董懷玉[25]等利用人工接種的方式對(duì)472份玉米種質(zhì)進(jìn)行鑒定，篩選出6份高抗自交系，但未發(fā)現(xiàn)高抗雜交種。呂香玲等[29]利用40份玉米自交系和22份回交群體為材料進(jìn)行灰斑病抗性鑒定和評(píng)價(jià)，篩選出高抗自交系1份以及多份抗病回交導(dǎo)入系，研究表明，自交系感病幾率較高，而回交導(dǎo)入系在改良品種抗病性上有很大作用。國(guó)際玉米小麥改良中心(CIMMYT)選育并保存了豐富的灰斑病抗性資源[30]，Nzuve等[31]對(duì)CIMMYT自交系與7個(gè)熱帶自交系配制的42個(gè)雜交組合進(jìn)行灰斑病抗性研究，結(jié)果表明，來自CIMMYT的CML 373和TZMI 711自交系含有抗性基因，用這2個(gè)自交系組配雜交組合的抗性均較好。吳雯雯等[32]同樣利用CIMMYT的CML系列玉米自交系進(jìn)行抗性配合力鑒定以及遺傳參數(shù)估計(jì)，研究表明，CML 390組配的各組合抗性表現(xiàn)優(yōu)異。雖然國(guó)內(nèi)外研究者開展了大量的玉米灰斑病的抗源篩選工作，但均未發(fā)現(xiàn)對(duì)灰斑病免疫的種質(zhì)，大多數(shù)種質(zhì)表現(xiàn)感病，但具有熱帶、亞熱帶血緣的玉米種質(zhì)普遍對(duì)灰斑病的抗性較好[9,21,25,33-38]。

由于玉米尾孢菌灰斑病發(fā)現(xiàn)得較晚，國(guó)內(nèi)有關(guān)玉米尾孢菌灰斑病抗性資源的評(píng)價(jià)較少。劉可杰等[39]采用田間人工接種評(píng)價(jià)了300份玉米種質(zhì)對(duì)2種灰斑病菌的抗性，結(jié)果表明，對(duì)玉米尾孢菌表現(xiàn)高抗和抗的種質(zhì)分別有10份和100份，對(duì)玉蜀黍尾孢菌表現(xiàn)高抗和抗的種質(zhì)分別有4份和33份，未鑒定出對(duì)2種灰斑病菌表現(xiàn)免疫的種質(zhì)；300份種質(zhì)中只有77份對(duì)2種灰斑病菌的抗性表現(xiàn)一致，而149份種質(zhì)對(duì)2種灰斑病菌的抗性表現(xiàn)截然相反，說明玉米種質(zhì)對(duì)這2種灰斑病菌的抗性存在很大的差異。

3 抗性基因定位

玉米對(duì)灰斑病的抗性主要表現(xiàn)為加性遺傳效應(yīng)，屬數(shù)量性狀遺傳[40-44]。近20多年來國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米灰斑病抗性QTL定位的報(bào)道很多，Bubeck等[45]、Saghai-Maroof等[46]、Clements等[47]、Lehmensiek等[33]、Gordon等[48]、Balint-Kurti等[49]、Pozar等[50]、Zwonitzer等[51]、呂香玲等[52]利用不同的溫帶玉米材料，Zhang等[53]、Xu等[54]、Liu等[55]引進(jìn)熱帶的抗病材料，發(fā)展了F2∶3、F2∶4、BC1F2及高代回交、RIL等連鎖群體，通過RFLP、SSR等標(biāo)記在玉米的10條染色體上均檢測(cè)到了灰斑病的抗性QTL；在此基礎(chǔ)上，Shi等[56]、王平喜等[57]采用overview和元分析的方法，整合前人不同作圖群體得到的抗性QTL信息，確定了部分一致性QTL位點(diǎn)。以上研究雖在一定范圍內(nèi)檢測(cè)到灰斑病的抗性位點(diǎn)和遺傳構(gòu)成，但由于定位群體和方法不同、群體規(guī)模較小、遺傳交換局限較大，檢測(cè)出的QTL數(shù)目和位置存在較大差異，多數(shù)定位精度不高，更沒有抗灰斑病基因被克隆。

隨著作物全基因組測(cè)序的完成，特別是SNP標(biāo)記開發(fā)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析方法研究作物數(shù)量性狀基因已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一。關(guān)聯(lián)分析方法因其研究周期短、分辨率高，可同時(shí)對(duì)數(shù)十個(gè)基因進(jìn)行檢測(cè)，可以明確不同種質(zhì)資源中所攜帶的等位基因及其對(duì)目標(biāo)的貢獻(xiàn)[58-59]，在作物分子標(biāo)記輔助改良方面比連鎖定位更有效力[60-61]。目前關(guān)聯(lián)分析已成功應(yīng)用于玉米小斑病[62]、大斑病[63]、絲黑穗病[64]、穗粒腐病[65]、粗縮病[66]等玉米病害的遺傳研究，但應(yīng)用于灰斑病的關(guān)聯(lián)分析還很少。Shi等[67]利用41,101個(gè)SNP標(biāo)記對(duì)161個(gè)玉米自交系進(jìn)行灰斑病抗性的全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果檢測(cè)到51個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)與灰斑病的抗性顯著相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)了3個(gè)抗玉米灰斑病的候選基因；Mammadov等[68]結(jié)合連鎖和關(guān)聯(lián)分析在第1、4、7和8染色體上獲得了抗灰斑病的QTL，其中位于第7染色體上的QTL與開花期共定位；Kuki等[69]利用355,972個(gè)SNP標(biāo)記對(duì)157個(gè)熱帶玉米自交系進(jìn)行灰斑病抗性的全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果檢測(cè)到7個(gè)SNP位點(diǎn)與灰斑病的抗性顯著相關(guān)，也發(fā)現(xiàn)了3個(gè)抗玉米灰斑病的候選基因。但這些基因都尚未克隆和驗(yàn)證，其真實(shí)性、功效及價(jià)值還有待檢驗(yàn)。

以上研究多是針對(duì)玉蜀黍尾孢菌灰斑病進(jìn)行的抗性QTL定位，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)玉米尾孢菌灰斑病抗性QTL的定位很少。劉可杰[70]在國(guó)內(nèi)首次將1個(gè)抗玉米尾孢菌灰斑病的主效QTL定位在1號(hào)染色體短臂的binl.04～1.05處，物理距離約為4 Mb的區(qū)域內(nèi)，該QTL可解釋53.0498%的表型變異。至于2種病原菌灰斑病的抗病基因/QTL是否存在明顯差異還有待進(jìn)一步研究。

4 展 望

培育和種植抗病品種是控制病害最經(jīng)濟(jì)有效的途徑，而抗病育種的成效取決于對(duì)抗源的獲得和抗病遺傳機(jī)制的認(rèn)識(shí)。盡管國(guó)內(nèi)外在玉米灰斑病抗性種質(zhì)的篩選及鑒定、抗病遺傳及機(jī)制和抗性QTL方面進(jìn)行了大量研究，但由于缺乏有效的抗病資源、目前尚無精細(xì)定位群體及高密度連鎖圖譜、且抗病基因還未克隆，玉米抗灰斑病品種選育的進(jìn)展緩慢。熱帶和亞熱帶玉米種質(zhì)蘊(yùn)藏著許多優(yōu)良的抗病基因，對(duì)這些抗病基因的發(fā)掘和利用對(duì)于玉米品種的抗性改良至關(guān)重要。連鎖和關(guān)聯(lián)分析是數(shù)量性狀研究的兩種主要方法，它們?cè)赒TL定位的精度和廣度、提供的信息量、統(tǒng)計(jì)分析方法等方面具有互補(bǔ)性，結(jié)合連鎖和關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)點(diǎn)將加快數(shù)量性狀基因的鑒定和分離克隆。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)的研究和應(yīng)用，聯(lián)合連鎖和關(guān)聯(lián)分析加快抗性基因的定位和克隆，為利用分子標(biāo)記輔助選育抗灰斑病玉米品種奠定基礎(chǔ)。