629份國(guó)內(nèi)外玉米種質(zhì)及雜交種對(duì)絲黑穗病的抗性評(píng)價(jià)

王春明, 郭 成*， 周天旺， 段燦星

(1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所， 甘肅 蘭州730070； 2. 農(nóng)業(yè)部天水作物有害生物科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 甘肅 天水 741200； 3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/國(guó)家農(nóng)作物基因資源與基因改良重大科學(xué)工程， 北京 100081)

玉米(Zeamays)又名苞谷、苞米、玉蜀黍、珍珠米等，原產(chǎn)于南美洲，后被傳至世界各地，是全世界公認(rèn)的“黃金作物”[1]。它不僅是我國(guó)重要的糧飼兼用型作物，也是我國(guó)重要的能源植物和工業(yè)原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位[2]。我國(guó)是玉米生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)，目前種植面積和總產(chǎn)量已經(jīng)位列谷類作物生產(chǎn)的第一位，約10%和70%的總產(chǎn)量分別作為主糧和飼料被食用和利用[3]。在當(dāng)今大力提倡“秸稈畜牧業(yè)”的形勢(shì)下，糧飼兼用型玉米是發(fā)展畜牧業(yè)，解決我國(guó)糧食供需矛盾，實(shí)現(xiàn)糧飼有效性供給的有效途徑之一[4-5]。然而，受到氣候條件的變化、品種更替以及栽培和耕作制度的調(diào)整等諸多因素的影響，玉米病蟲害的發(fā)生呈明顯加重趨勢(shì)，嚴(yán)重影響著玉米的產(chǎn)量和質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年因病蟲害發(fā)生和流行而導(dǎo)致玉米產(chǎn)量損失約1 000萬t[6]。

玉米絲黑穗病是一種世界性病害，在全球大多數(shù)玉米產(chǎn)區(qū)都有不同程度的發(fā)生，是生產(chǎn)上嚴(yán)重為害玉米的真菌性病害之一，其病原菌為絲孢堆黑粉菌(Sporisoriumreilianum)[7-11]。種植和利用抗病品種是控制玉米絲黑穗病最安全和高效的措施，而優(yōu)異的抗性種質(zhì)是進(jìn)行抗病品種選育和種質(zhì)改良的前提和基礎(chǔ)。玉米抗病育種成效的大小，在很大程度上取決于育種者掌握抗病種質(zhì)資源數(shù)量的多少和對(duì)抗病性狀表現(xiàn)及其遺傳規(guī)律的研究深度[12]。通常，植物種質(zhì)資源庫(kù)有攜帶抗病基因的植物材料，通過育種的方法將這些抗病基因?qū)胫参?，是保護(hù)植物免于病蟲害的重要而有效的方法[13]。為此，許多學(xué)者在絲黑穗病抗性鑒定篩選方面已做了很多的工作，篩選出了一批高抗玉米絲黑穗病的自交系、農(nóng)家種和雜交品種[14-21]，如遼3053，KH13、農(nóng)選34、沈陽(yáng)143、龍抗283、東91，CD13、育系549、育系254、育系490、育系541、吉T5、赤L5、赤L155、粵48、酒341-2、魯原92、鄭653、沙1、寧45、晉穗54，HR36，LM49，LM50、吉 63 / o2、吉846、吉992，F(xiàn)R218，D2374，T432、吉T5，SW91D-323-7，Ki1414，鄭單958、桂單21、桂單22等，但高抗絲黑穗病的玉米種質(zhì)仍相對(duì)較少。

玉米絲黑穗病主要導(dǎo)致果穗全部被害，通常發(fā)病率幾乎等于損失率[6]，而青貯玉米感染絲黑穗病后不僅影響玉米產(chǎn)量，還會(huì)影響飼料品質(zhì)，牲畜食用后會(huì)導(dǎo)致健康隱患[22]。因此，控制該病害的發(fā)生和為害具有極其重要的意義。抗病品種的有效利用不僅降低了病害發(fā)生率和產(chǎn)量損失，也提升了玉米的品質(zhì)。同時(shí)，抗病品種的大面積推廣種植，在一定程度上降低了化學(xué)農(nóng)藥的使用量，減少了其對(duì)環(huán)境的危害，對(duì)食品及飼料安全等起到了一定的保障作用。因此，為了尋找和篩選抗性較好的目標(biāo)材料，我們加大了國(guó)內(nèi)外玉米種質(zhì)對(duì)絲黑穗病的抗性鑒定與評(píng)價(jià)，本研究在2016-2018年間對(duì)國(guó)家玉米種質(zhì)資源庫(kù)中629份國(guó)內(nèi)外玉米種質(zhì)及雜交種進(jìn)行了抗絲黑穗病鑒定和評(píng)價(jià)，旨在為抗病品種的選育提供核心抗源，以及國(guó)外引進(jìn)品種的合理利用和改良提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料：初次鑒定材料2016年312份，2017年317份，共629份玉米種質(zhì)資源，包括266份國(guó)內(nèi)外玉米自交系、216份國(guó)內(nèi)外農(nóng)家種、5份國(guó)外群體材料和142份國(guó)外雜交種，均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。其中2017年和2018年分別對(duì)2016年和2017年初次鑒定表現(xiàn)抗及高抗的34份和42份材料，進(jìn)行重復(fù)鑒定。供試玉米材料來源與數(shù)量見表1。

表1 供試玉米材料來源與數(shù)量Table 1 Origin and number of maize materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1病原冬孢子的制備 玉米絲黑穗病病原冬孢子由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所采集并保存，具體方法如下：將從典型病株上采集的病癭，裝布袋內(nèi)置通風(fēng)處越冬，以備下一年鑒定用。播種前1周將病癭上的菌粉抖落，用40目細(xì)篩篩出冬孢子，按0.1%比率與細(xì)土充分混合成菌土備用[21]。

1.2.2試驗(yàn)地點(diǎn)及試驗(yàn)設(shè)計(jì) 鑒定圃設(shè)在甘肅省天水市甘谷縣新興鎮(zhèn)頭甲村，年平均氣溫為9.5～10.9℃。于2016-2018每年4月中旬進(jìn)行田間春播，每份材料均按人工穴播種種植2行，每行行長(zhǎng)5 m，行、穴距為60 cm×20 cm。每穴點(diǎn)播種子3～4粒，覆蓋菌土100 g。待4～5葉1心期，每穴隨機(jī)留苗2株。根據(jù)每年材料數(shù)量在鑒定圃內(nèi)設(shè)Mo17(R)和黃早四(HS)對(duì)照5組及以上。

1.2.3調(diào)查方法及病害分級(jí) 參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部頒布的玉米抗絲黑穗病鑒定技術(shù)規(guī)范進(jìn)行[23]。病情分級(jí)及抗性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。在玉米進(jìn)入乳熟期后，對(duì)供試材料逐株進(jìn)行調(diào)查，分別記載總株數(shù)，發(fā)病株數(shù)，計(jì)算病株率。根據(jù)病株率，評(píng)價(jià)供試材料的抗感水平。供試材料若在初次鑒定中表現(xiàn)為抗及高抗時(shí)，次年進(jìn)行重復(fù)鑒定，抗性以記載的2年中最高病情級(jí)別為準(zhǔn)。

表2 玉米抗絲黑穗病病情分級(jí)及抗性類型Table 2 Disease classification and resistance types to head smut

2 結(jié)果與分析

2.1 抗絲黑穗病對(duì)照材料的抗性結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，2016-2018年期間抗病對(duì)照材料Mo17表現(xiàn)為中抗(MR)～高抗(HR)，病株率分別為10.00%，0.00%和8.87%；高感病對(duì)照材料黃早四3年均表現(xiàn)高感(HS)，病株率分別為62.32%，62.96%和95.77%。說明3年的對(duì)照材料發(fā)病充分，鑒定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

2.2 不同類型玉米種質(zhì)及雜交種對(duì)絲黑穗病的抗性水平

如圖1所示，在鑒定的629份玉米種質(zhì)及雜交種中，25 份材料表現(xiàn)高抗，34 份材料表現(xiàn)抗，55份表現(xiàn)中抗，322份表現(xiàn)感，193份表現(xiàn)高感，分別占總材料的3.97%，5.41 %，8.74 %，51.20%和30.68%。由圖2可知，表現(xiàn)中抗及中抗以上自交系共32份，占266份供試自交系12.03%，表現(xiàn)中抗及中抗以上雜交種共23份，占142份供試雜交種的16.20%，而表現(xiàn)中抗及中抗以上農(nóng)家種59份，占216份供試農(nóng)家種的27.31%。

2.3 不同來源玉米種質(zhì)及雜交種對(duì)絲黑穗病的抗性水平

針對(duì)不同地理來源的487份玉米種質(zhì)(自交系、農(nóng)家種及群體材料)，比較了6個(gè)不同省份共87份種質(zhì)(中抗及中抗以上)的抗性情況，在中國(guó)貴州、中國(guó)四川、中國(guó)內(nèi)蒙古、中國(guó)云南、俄羅斯和墨西哥種質(zhì)中，抗絲黑穗病種質(zhì)占比分別為56.92%，20.00%，18.18%，11.11%，9.68%和8.45%，結(jié)果表明不同地區(qū)玉米種質(zhì)的抗絲黑穗病強(qiáng)弱以及抗性多樣性存在較大的差異，來自于中國(guó)貴州的種質(zhì)，其整體抗性水平明顯高于中國(guó)云南、中國(guó)內(nèi)蒙古和中國(guó)四川，也高于俄羅斯和墨西哥種質(zhì)(表3)。在3個(gè)篩選出高抗自交系的地區(qū)中，中國(guó)內(nèi)蒙古、俄羅斯、烏拉圭占供試自交系比例分別為1.88%，1.13%，和0.38%。同時(shí)比較142份國(guó)外雜交種的抗性情況發(fā)現(xiàn)，來自烏拉圭的雜交種抗絲黑穗病(中抗以上)的比例較高，占比17.14%(表4)。

圖1 玉米材料所占抗性比例Fig.1 The proportion of resistance types of maize materials

圖2 自交系、農(nóng)家種和雜交種分別所占抗性比例Fig.2 The proportion of different resistance types of inbred lines，peasant resources and hybrids respectively

表3 不同地理來源的玉米種質(zhì)對(duì)絲黑穗病的抗性統(tǒng)計(jì)Table 3 Number of maize germplasm from different areas with resistance to head smut

表4 不同地理來源的國(guó)外雜交種對(duì)絲黑穗病的抗性統(tǒng)計(jì)Table 4 Number of maize hybrids from different areas of overseas with resistance to head smut

2.4 國(guó)內(nèi)自交系對(duì)絲黑穗病的抗性水平

在67份國(guó)內(nèi)自交系中，赤L311、赤L314、赤L222，B07152和赤L224共5份自交系表現(xiàn)高抗(HR)；HVN-1、赤L213和B07060-1共3份自交系表現(xiàn)抗(R)；赤L312、赤016，C7172和zce-4共4份自交系表現(xiàn)中抗(MR)；赤L228，B07-112，ODL-2、赤L229，zce-3等29份表現(xiàn)感病(S)；而赤y4，ODL-4，赤L216，POL-2、赤004，POL-4，HVN-4等26份表現(xiàn)高感(HS)，分別占供鑒國(guó)內(nèi)自交系的7.46%，4.48%，5.97%，43.28%和38.81%，表現(xiàn)中抗、抗及高抗的國(guó)內(nèi)自交系見表5。

表5 國(guó)內(nèi)自交系對(duì)玉米絲黑穗病的抗性類型Table 5 Resistance of maize inbred lines to head smut from domestic

2.5 國(guó)外自交系對(duì)絲黑穗病的抗性水平

在199份國(guó)外自交系中，12630(1)，18236(2)，23311(2)和YJ001500共4份自交系表現(xiàn)高抗(HR)；YJ001496，7222，CI156，12630(2)，9478，9494和4966(1)共7份自交系表現(xiàn)抗(R)；CI103，22728(3)，4534(2)，4687(2)，CI122，10320(2)，CI117，CI172和CI95共9份自交系表現(xiàn)中抗(MR)；YJ001497，CI175，CI201，23309，4905(1)，CI75，22971(2)等88份表現(xiàn)感病(S)；而9466(1)，CI110，CI112，4672(2)，5313，8026(2)等91份表現(xiàn)高感(HS)，分別占供鑒國(guó)外自交系的2.01%，3.52%，4.52%，44.22%和45.73%，表現(xiàn)中抗及中抗以上國(guó)外自交系見表6。

表6 國(guó)外自交系對(duì)玉米絲黑穗病的抗性類型Table 6 Resistance of maize inbred lines to head smut from overseas

2.6 國(guó)內(nèi)農(nóng)家種對(duì)絲黑穗病的抗性水平

在供鑒的212份國(guó)內(nèi)農(nóng)家種中，黃糯包谷(221103)、白包谷(221110)、白包谷(221113)、黃包谷(221116)、白包谷(221121)、黃糯包谷(221131)和北城紅玉米(211637)共7份材料表現(xiàn)高抗(HR)；白二道早(221108)、黃二季早(221134)、安順白玉米(211627)、白糯包谷(221139)、白包谷(221109)、白二季早(221133)、楊家大白玉米(211685)、小白包谷(221128)、潼梁淺紅玉米(211682)、黃包谷(221123)等18份材料表現(xiàn)抗(R)；黃包谷(221088)、白包谷(221105)、白糯包谷(221132)、黃包谷(221112)、白包谷(221119)、黃包谷(221089)、紅玉米(232177)等共34份材料等表現(xiàn)中抗(MR)；廣西白包谷(232138)、黃包谷(232116)、白糯包谷(221135)、馬閣花黃玉米(211666)、白包谷(221144)、大康白玉米(211639)、黃白糯(221145)、小白包谷(221084)、黃糯包谷(221147)、二黃早(221092)、劍門白(211660)、爆裂14號(hào)(232123)等121份表現(xiàn)感病(S)；爆花玉米(232184)、白果淺花玉米(211633)、東安紫玉米(211647)、黑玉米(211657)、本地黑糯(201314)、崗堡白玉米(211650)、白包谷(232107)、本地包谷(232135)、白包谷(232188)、百日歸(140147)等32份表現(xiàn)高感(HS)，分別占供鑒農(nóng)家種的3.30%，8.49%，16.04%，57.08%和15.09%，表現(xiàn)中抗及中抗以上國(guó)內(nèi)農(nóng)家種見表7。

表7 國(guó)內(nèi)農(nóng)家種對(duì)玉米絲黑穗病的抗性類型Table 7 Resistance of maize peasant resources to head smut from domestic

2.7 國(guó)外農(nóng)家種對(duì)絲黑穗病的抗性水平

在來自越南和墨西哥的4份農(nóng)家種材料中，未發(fā)現(xiàn)中抗及中抗以上材料，感病材料2份，分別為VN8960和LVN61；高感材料2份，分別為L(zhǎng)VN9和SW-92D。

2.8 國(guó)外群體材料對(duì)絲黑穗病的抗性水平

在來自巴西的5份群體材料中，未發(fā)現(xiàn)中抗及中抗以上材料，感病材料3份，分別為YJ001548，YJ001546和YJ001549；高感材料2份，分別為YJ001528和YJ001547。

2.9 國(guó)外雜交種對(duì)絲黑穗病的抗性水平

在供鑒的142份國(guó)外雜交種中，YJ001501，YJ001460，YJ001472，YJ001476，YJ001486(2)，YJ001493，YJ001515，YJ001518，YJ001522共9份表現(xiàn)高抗(HR)；YJ001456，YJ001457，YJ005245，YJ001467，YJ003531和YJ001525共6份表現(xiàn)抗(R)；YJ001485，YJ003506，YJ001478，YJ003496，YJ001465，YJ001488(2)，YJ001520，YJ001505共8份等表現(xiàn)中抗(MR)；YJ001477，YJ001466，YJ001462，YJ001545，YJ001464，YJ003523，YJ001471，YJ001535，YJ003504，YJ003510，YJ001519，YJ001534，YJ001510等79份表現(xiàn)感病(S)；YJ001539，YJ001503，YJ001537，YJ001479(2)，YJ001458，YJ003532，YJ001455，YJ003520，YJ001557，YJ003515，YJ001491，YJ001507，YJ003513，YJ001533等40份表現(xiàn)高感(HS)，分別占供鑒雜交種的6.34%，4.23%，5.63%，55.63%和28.17%，表現(xiàn)中抗及中抗以上國(guó)外雜交種見表8。

表8 國(guó)外雜交種對(duì)玉米絲黑穗病的抗性類型Table 8 Resistance of maize hybrids to head smut from overseas

3 討論

本研究利用人工接種進(jìn)行了抗絲黑穗病鑒定和篩選，通過初次鑒定和重復(fù)鑒定，在629份材料中篩選出中抗及中抗以上材料共114份，占供試材料的18.12%，其中高抗材料僅25份，占供試材料的3.97%，這與前人在研究中認(rèn)為對(duì)絲黑穗病表現(xiàn)高抗的材料較少的結(jié)論一致[14-21]。其中表現(xiàn)中抗及中抗以上的自交系共32份，占266份供試自交系的12.03%，表現(xiàn)中抗及中抗以上雜交種共23份，占142份供試雜交種的16.20%，而表現(xiàn)中抗及中抗以上農(nóng)家種59份，占216份供試農(nóng)家種的27.31%。進(jìn)一步分析所有供試材料來源發(fā)現(xiàn)，來自于中國(guó)貴州的材料，其整體抗性水平明顯高于中國(guó)云南、中國(guó)內(nèi)蒙古和中國(guó)四川，也高于俄羅斯和墨西哥材料。

2018年12月18日召開的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部常務(wù)會(huì)“研究加強(qiáng)農(nóng)業(yè)物種資源保護(hù)與利用工作”中強(qiáng)調(diào)，農(nóng)作物種資源是國(guó)家戰(zhàn)略性資源，要充分認(rèn)識(shí)保護(hù)與利用工作的重要性，為加快農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新提供重要基礎(chǔ)支撐[24]。種質(zhì)資源是植物育種的基礎(chǔ)，篩選和評(píng)價(jià)抗病種質(zhì)是植物抗病育種的前提和必要條件[25]。我國(guó)從20世紀(jì)70年代以來，在玉米種質(zhì)資源的篩選、利用、引進(jìn)及抗病品種的選育等方面做了大量的研究工作，篩選出了一批優(yōu)質(zhì)的抗源材料[21,26-29]，這有力地推動(dòng)了玉米絲黑穗病的抗病育種等工作。但高抗絲黑穗病的玉米種質(zhì)仍相對(duì)缺乏，還需加大對(duì)種質(zhì)資源的引進(jìn)、搜集、整理和鑒定，尤其對(duì)國(guó)外優(yōu)良種質(zhì)資源的引進(jìn)、改良和創(chuàng)新。

玉米對(duì)絲黑穗病的抗病性屬于數(shù)量性狀遺傳，抗病性遺傳規(guī)律表現(xiàn)為雙親高抗的其后代亦抗，以母本的抗病性為主導(dǎo)[30]，因此高抗絲黑穗病種質(zhì)資源的利用將有助于高抗絲黑穗病品種的選育及相關(guān)抗病基因的挖掘，提高抗病育種效率。華致甫等[31]對(duì)我國(guó)9個(gè)省區(qū)的玉米絲黑穗病菌在不同類型的玉米材料上進(jìn)行致病力和同功酶實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明分布于甘肅、陜西、四川、吉林、云南等地的1號(hào)小種為優(yōu)勢(shì)小種。本次鑒定接種所用的玉米絲黑穗病病原菌是由本課題組在常年鑒定病圃采集保存和擴(kuò)繁的強(qiáng)致病菌，具有代表性，篩選出的高抗絲黑穗病種質(zhì)，可作為抗絲黑穗病育種的目標(biāo)材料。

由于植物病害受多種因素的影響，利用與抗病基因緊密連鎖的分子標(biāo)記輔助選擇多抗性基因聚合體，能夠有效的提高抗病育種的效率[13]。目前，PCR分子標(biāo)記已被廣泛應(yīng)用于小麥、玉米、大豆等作物的抗病育種中[32]。PCR分子標(biāo)記可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鑒定多個(gè)抗病基因，并快速選育多個(gè)抗病基因聚合體，為培育持久、廣譜抗性種質(zhì)資源提供材料和方法[13]。如李莉等[33]利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)把感玉米絲黑穗病的親本8902改良成抗病自交系，并與吉1037配制雜交種，研究結(jié)果表明分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)顯著提高了自交系及其雜交種對(duì)玉米絲黑穗病的抗病效果。本研究在供鑒的212份國(guó)內(nèi)農(nóng)家種中，篩選出對(duì)絲黑穗病表現(xiàn)高抗、抗性、中抗的材料各占供鑒國(guó)內(nèi)農(nóng)家種的3.30%，8.49%，16.04%；從供鑒的266份國(guó)內(nèi)外自交系中，篩選出9份高抗材料，占供試自交系的3.38%；從供鑒的142份引自國(guó)外的雜交種中，篩選出中抗及中抗以上雜交種23份，占供試雜交種的16.20%，其中高抗雜交種9份，占供試雜交種的6.34%。這不僅為抗玉米絲黑穗病新品種的選育提供抗源，而且也為挖掘與定位玉米抗絲黑穗病密切相關(guān)的抗性基因及抗絲黑穗病新品種的選育提供可利用的基因資源。

4 結(jié)論

本研究共鑒定出赤L311、18236(2)、黃糯包谷(221103)等共25份高抗材料；HVN-1，B07060-1，YJ001496等34份抗病材料；C7172，zce-4，CI103等55份中抗材料；感病和高感材料各322份和193份。研究發(fā)現(xiàn)來自于中國(guó)貴州的種質(zhì)，其整體抗絲黑穗病的水平明顯高于中國(guó)云南、中國(guó)內(nèi)蒙古和中國(guó)四川，也高于俄羅斯和墨西哥種質(zhì)；來自烏拉圭的雜交種抗絲黑穗病的水平高于巴西。