西瓜炭疽病研究進(jìn)展

張慧青，孫玉燕，范敏*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021； 2.山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

西瓜炭疽病(Colletotrichumlagenerium)是由一類半知菌亞門刺盤孢子屬真菌-瓜類炭疽病菌浸染引起的一種世界性病害，常發(fā)病于潮濕的地區(qū)，在全球西瓜產(chǎn)區(qū)發(fā)生普遍，且呈現(xiàn)日趨嚴(yán)重的趨勢[1]，影響西瓜的經(jīng)濟(jì)效益，制約西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。炭疽病在西瓜整個生長發(fā)育期內(nèi)均可發(fā)生，在苗期及果實發(fā)育期尤為嚴(yán)重。目前，對此種病害大多為化學(xué)防治，這不僅對環(huán)境造成污染，也易使病原菌產(chǎn)生抗藥性[2]。因此，提高西瓜對炭疽病的抗性已成為我國西瓜育種亟需解決的難題之一。本文綜合多年來學(xué)者們對西瓜炭疽病的研究成果，旨在為西瓜的抗病育種研究提供一定的理論參考。

1 西瓜炭疽病的發(fā)病規(guī)律、癥狀及危害

西瓜炭疽病由瓜類炭疽病菌引起，以菌絲體或菌核附著在土壤中的病殘體在田間、溫室或大棚中存活越冬，種子表面也能攜帶菌絲[3]。高溫高濕是其發(fā)病的主要原因，炭疽病菌在10～30 ℃均可發(fā)病，最適發(fā)病溫度為25 ℃，10 ℃以下及30 ℃以上病斑停止生長。炭疽病的潛育期與濕度有關(guān)，西瓜炭疽病菌的最適宜生長濕度為85%～95%，濕度越低，潛育期越長，發(fā)病越慢[4]。

炭疽病菌對西瓜生長危害嚴(yán)重，幼苗期和成熟期為發(fā)病高峰。幼苗發(fā)病時，子葉出現(xiàn)圓形紫黑色或紅褐色病斑，且病斑顏色均勻，外周有黃色圓圈。發(fā)病嚴(yán)重時，莖蔓和葉柄形成梭形或橢圓形凹陷病斑，呈水漬狀黃褐色，病斑可溢縮并穿孔，使植株發(fā)生倒折、死亡。果實受害時，表面先形成暗綠色水漬狀斑點，病斑擴(kuò)大稍圓形隆起呈暗褐色，濕度大時，病斑呈輪紋狀并伴有黑色小顆粒，數(shù)個病斑連片產(chǎn)生凹陷，引起龜裂，露出果肉致果實腐爛[5]。

西瓜炭疽病的發(fā)病率在10%～20%，造成的產(chǎn)量損失達(dá)10%～15%，嚴(yán)重時發(fā)病率可達(dá)100%，產(chǎn)量損失達(dá)40%以上，成為西瓜運輸和貯藏過程中爛瓜的主要原因[6]。

2 西瓜炭疽病原菌及生理小種的分化

西瓜炭疽病由西瓜炭疽菌浸染所致[7]，西瓜炭疽病菌屬半知菌亞門黑盤孢目毛盤孢屬[8]。其主要特征為：分生孢子盤寄生在寄主植物的表皮下，產(chǎn)生暗褐色或黑色菌核，具長90～120 μm的褐色剛毛，2～5個隔膜。分生孢子盤成熟后突出寄主外表皮，有的分生孢子呈圓筒狀且光滑，大小為(20～26)μm×(2.6～3.0)μm，單胞，顏色為無色致褐色，在梗頂端著生一個分生孢子；有的分生孢子呈卵圓形，大小為(14～20)μm×(5～6)μm，單胞，無色，多個聚合在一起成粉紅色黏包子團(tuán)。分生孢子萌發(fā)后在芽管的頂端產(chǎn)生的附著胞壁厚，呈球狀或不規(guī)則狀，可多次萌發(fā)再產(chǎn)生附著胞[9]。

目前西瓜中發(fā)現(xiàn)炭疽病菌的7個生理小種(生理小種1～7)，是根據(jù)侵染鑒別寄主的癥狀不同劃分的。生理小種1易感西瓜材料New Hampshire Midget、Garrison，而對Charleston Gray、Congo、Fairfax幾乎不致病，但幼果感??；生理小種2是從西瓜材料Charleston Gray及Congo中分離獲得，幾乎所有寄主幼苗及果實對生理小種2高度敏感；生理小種3對西瓜材料New Hampshire Midget及Garrison高度致病，而西瓜材料Charleston Gray、Congo和Fairfax對生理小種2則高度抗病[10]；生理小種4對全部寄主均可致??；生理小種5對Charleston Gray、Congo、Fairfax及Garrison等西瓜材料高度致?。簧硇》N6對所有寄主的致病性均很強；生理小種7對西瓜的致病情況與生理小種3類似[11-12]。西瓜炭疽病菌雖然生理小種多樣，但以生理小種1、2和3最為普遍，危害也最為嚴(yán)重[13]，為研究的重點。此外，西瓜炭疽病原菌的生理小種具有高度遺傳性和致病多樣性，使西瓜品種難以獲得持久的抗性。

3 西瓜炭疽病抗性資源現(xiàn)狀及遺傳規(guī)律

20世紀(jì)30年代初，Layton得到5個抗炭疽病的西瓜材料，其中Africa8、Africa9和Africa13與當(dāng)?shù)卦耘喾NIowa Belle和Iowa King雜交，F(xiàn)1表現(xiàn)為抗病，抗病對感病為顯性，F(xiàn)2分離及F1回交表明，抗性是受一對單基因控制的[14]。Hall等[15]利用抗病材料Charleston Gray、Fairfax、Congo及感病材料Chris Cross、Black Diamond間雜交，獲得F1、F2和BC1世代，于幼苗期接種，也證明炭疽病的抗性受顯性基因控制。Jenkins等[16]評價了86份西瓜種質(zhì)材料，發(fā)現(xiàn)對生理小種1具有抗性的材料同時也對生理小種3產(chǎn)生抗性，但對生理小種2表現(xiàn)為感??；遺傳研究表明，生理小種1和3的抗性由同一顯性基因控制。Snvanprakorn等[17]利用雜交抗病材料PI189225、PI271778、PI326515及感病材料Charleston Gray、Jubilee、Crimson Sweet和品系A(chǔ)WB-10，研究西瓜對炭疽病生理小種2的遺傳規(guī)律，結(jié)果表明，PI材料的抗性均受1對顯性基因控制，但存在修飾基因。唐寧安[18]以PI189225和Black diamond為親本創(chuàng)建F2分離群體，研究表明，抗:感分離比為3∶1，表明PI189225對西瓜炭疽病菌生理小種1的抗性受顯性單基因控制。

4 西瓜炭疽病抗性基因定位及克隆

目前，針對葫蘆科作物對炭疽病抗性基因定位及克隆的研究已取得一定進(jìn)展。唐寧安[18]用分離群體分組分析法(BSA)和AFLP分子標(biāo)記技術(shù)對西瓜抗病材料PI189225中的抗炭疽病基因進(jìn)行分子標(biāo)記鑒定發(fā)現(xiàn)，AFLP分子標(biāo)記E4/M19、E1/M8、E29/M5與抗炭疽病基因Rco-1連鎖，遺傳距離分別為34.8、23.4、6.9 cM。2018年，Pan等[19]用黃瓜自交系GY14和WI2757對生理小種1進(jìn)行抗性基因的精細(xì)定位和克隆，通過GY14×9930雜交的160個F2∶3家系、WI2757×TL雜交的108個F2∶3家系和123個F7重組自交系發(fā)現(xiàn)，材料GY14和WI2757對炭疽菌1號小種的感染持續(xù)表現(xiàn)出高水平的抵抗力，而9930、TL和兩個F1型菌株則為易感；研究證實，存在一個單隱性基因cla，可致黃瓜材料GY14和WI2757對炭疽病產(chǎn)生抗性，后續(xù)研究將cla基因定位在黃瓜5號染色體32-kb的區(qū)域內(nèi)，包括3個候選基因，其中一個炭疽病抗性位點候選基因為CsSGR，其在葉綠素降解途徑中起著重要的調(diào)控作用，可誘導(dǎo)葉綠素和葉綠素結(jié)合蛋白降解。Jang等[20]通過BSA-Seq技術(shù)確定了一個位于富含亮氨酸重復(fù)域的非同義單核苷酸多態(tài)性(SNP)位點，作為西瓜抗炭疽生理小種1的分子標(biāo)記，結(jié)果顯示，精氨酸到賴氨酸的替換在葫蘆科和豆科中保守性強。同時鑒定了一個保守的基序IxxLPxSxxxLYNLQTLxL，并發(fā)現(xiàn)該基序的18個殘基對外源病毒侵入有很強的抵抗力。總體來說，針對西瓜炭疽病抗性基因的挖掘研究較少，其分子機(jī)理還不明確，還需進(jìn)一步挖掘相關(guān)抗性基因。

5 西瓜炭疽病抗性育種

1947年美國育種學(xué)者推出了抗炭疽病和枯萎病的西瓜品種Black Kleckley和Kleckley Hybrid，但因其品種性狀不穩(wěn)定推廣較差[21]。20世紀(jì)50年代選育出抗炭疽病和枯萎病的西瓜品種Charleston Gray及Fairfax，以及抗炭疽病但不抗枯萎病的西瓜品種Congo，其中，Charleston Gray持續(xù)30年作為美國西瓜的主栽品種，世界多國引種種植[22-23]。20世紀(jì)60年代初，Crall[24]培育成Smokylee、Dixielee、Sugarlee等優(yōu)良抗病品種。20世紀(jì)70年代初，Norton等[25]著手培育優(yōu)質(zhì)、多抗、高產(chǎn)的西瓜新品種，于1983年育成抗炭疽病的2個品種AU-Producer和AU-jubilant，抗炭疽病生理小種2。1976年Sowell等[26]發(fā)現(xiàn)PI326515既抗西瓜莖腐病、枯萎病，也抗炭疽病生理小種2，并指出PI189225和PI271 778具有抗莖腐病的運載基因。經(jīng)過多年研究，1985年Grall[27]育成抗炭疽病和枯萎病品種Icebox；1990年Grall[28]培育出一個高品質(zhì)的西瓜品種SSDL，既抗炭疽病又抗枯萎病，得到廣泛的商業(yè)應(yīng)用。

我國于1986年成立了全國西瓜抗病育種協(xié)作組，之后在西瓜抗性育種方面進(jìn)行了深入研究，并取得諸多成果[29]，選育出多種抗病的優(yōu)良品種，如抗病性強、耐重茬、產(chǎn)量高、品質(zhì)佳的西農(nóng)8號、兼抗枯萎病及炭疽病的京抗2號和京抗3號[30]等。在高通量測序技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，我國主要以引進(jìn)國外優(yōu)質(zhì)西瓜抗病品種為基礎(chǔ)，通過與本地品種雜交，培育出遺傳穩(wěn)定、具有不同優(yōu)異農(nóng)藝性狀的新品種。經(jīng)過多年研究，我國育種工作者先后育成金花一號、抗病948、慶農(nóng)5號、特大鄭抗3號、雙抗8號等優(yōu)質(zhì)抗性品種。

6 西瓜炭疽病研究中存在的問題及展望

目前，西瓜炭疽病的研究集中在病原菌生物學(xué)特性、培養(yǎng)方式和生物防治以及抗性鑒定等方面，關(guān)于西瓜炭疽病基因定位和基因克隆的研究較少，有價值的分子標(biāo)記尚待開發(fā)，不能滿足現(xiàn)在的抗性育種需求[31]。此外，由于西瓜炭疽病菌生理小種較多，尚存在的不斷變異使得很難獲得具有長期穩(wěn)定抗性的新品種，這也在一定程度上為抗病品種的選育設(shè)置了障礙。為此，本文也提出幾點展望：

盡管我國在植物抗炭疽病的研究取的一定成果，但針對抗病育種而言，我國的發(fā)展仍有很大不足，因此，需擴(kuò)大對國外西瓜抗病種質(zhì)資源的引種范圍、類型和數(shù)量，利用世界西瓜種質(zhì)資源的多樣性豐富西瓜基因庫，加強多親復(fù)合雜交選育。同時要對優(yōu)質(zhì)資源進(jìn)行深入的種質(zhì)抗病研究，明確其遺傳規(guī)律，確定目的基因在染色體上的位置，縮短抗病材料的育種時間。

目前相關(guān)基因的性狀研究主要集中在初期QTLs上，對其精細(xì)定位及基因克隆的相關(guān)研究較少。隨著高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，可在西瓜全基因組水平上進(jìn)行測序研究。在對相關(guān)抗性基因定位并開發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記的同時，整合現(xiàn)有的遺傳圖譜，通過構(gòu)建高密度遺傳圖譜進(jìn)行相關(guān)性狀的基因精細(xì)定位，以提高育種選擇效率，加快育種進(jìn)程。

由于炭疽病小種的不斷變異，對獲得的新基因進(jìn)行等位性鑒定變得更有必要。充分利用基因編輯技術(shù)，同時聚合多個抗性基因以增強抗性，獲得可信度高且抵抗致病力強的新基因，這樣極有可能獲得抵抗炭疽病生理小種變異且具有持久抗性的新品種。