中國大麥黃矮病毒及BYDV-GAV株系研究進(jìn)展

喬世英，閆佳會(huì)，郭青云

（青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院/青海省農(nóng)業(yè)有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西寧作物有害生物科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，青海 西寧 810016）

由大麥黃矮病毒（Barley yellow dwarf virus，BYDVs）引起的小麥黃矮病是一種全球范圍內(nèi)的麥類作物病害，該病害最早在美國加利福尼亞州發(fā)生并被報(bào)道[1]，此后在韓國、土耳其、法國、英國等國家也曾有過發(fā)生報(bào)道[2]。我國小麥黃矮病最早于20世紀(jì)六七十年代在陜西、甘肅等地發(fā)生并報(bào)道[1]，對(duì)糧食作物生產(chǎn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。該病害被稱為麥類作物的“黃色瘟疫”，一般情況下會(huì)造成麥類作物減產(chǎn)40%左右，嚴(yán)重時(shí)減產(chǎn)高達(dá)70%以上，因此又被稱為麥類作物的“癌癥”[3-4]。近年來，小麥黃矮病雖不在全國范圍內(nèi)流行發(fā)生，但仍是一種地方性病害[2,5]，曾在我國的陜西、合肥、哈爾濱、西藏、青海、云南、甘肅等省份都有過發(fā)生為害[6-11]。

BYDV是黃癥病毒科（Luteovirdae）黃癥病毒屬（Luteovirus）成員[12]。BYDV株系劃分主要根據(jù)其傳毒介體的?；赃M(jìn)行[13]，不同的株系具有特定的傳播介體。在國際分類上，目前美國確定有BYDV-PAV、BYAV-MAV、BYDV-RPV、BYDV-SGV、BYDV-RMV 5個(gè)株系[4]；我國鑒定有4個(gè)株系，分別為BYDV-PAV、BYDV-GAV、BYDV-GPV、BYDV-RMV株系[14-15]。BYDV的主要傳毒介體為蚜蟲，該病毒不能通過汁液摩擦進(jìn)行傳播[16-18]。

BYDV除為害麥類作物外，還會(huì)為害部分單子葉禾本科雜草。但有學(xué)者在土耳其的兩種雙子葉植物上發(fā)現(xiàn)存在BYDV-PAV株系的侵染，這是首次在雙子葉植物上發(fā)現(xiàn)BYDV的存在[4]。BYDV為害植株后植株表現(xiàn)的典型癥狀為矮化、叢枝、葉片發(fā)黃、葉片出現(xiàn)黃綠相間條紋等[7-9]。BYDV對(duì)麥類作物生產(chǎn)危害較重，防治該病害的途徑主要有抗病品種的選育、化學(xué)防治等。

本文對(duì)BYDV為害癥狀、株系分化、基因組結(jié)構(gòu)和功能等方面進(jìn)行梳理，并從作物品種的抗性鑒定、抗性基因篩選等對(duì)BYDV-GAV進(jìn)行相關(guān)綜述[19]，以期為該病害的抗病育種提供一定的理論基礎(chǔ)，在一定層次上保障了我國糧食產(chǎn)量穩(wěn)定發(fā)展。

1 BYDV為害癥狀、傳播、株系分化及防治

1.1 BYDV為害癥狀

BYDV為害麥類作物的典型癥狀為葉片黃化和植株矮化。小麥黃矮病的發(fā)生受多種因素影響（寄主種類、傳播介體種類、環(huán)境條件、侵染時(shí)間等）[20-21]。BYDV可侵染多種麥類作物，在小麥、青稞、燕麥等主要糧食作物上為害較為嚴(yán)重，有時(shí)也會(huì)危害水稻、莜麥等作物。小麥感染BYDV后主要表現(xiàn)為植株矮化、葉片黃化、分蘗減少、叢枝等癥狀（圖1）[5-9]。在燕麥上，植株受害后產(chǎn)生一種燕麥紅葉病，癥狀表現(xiàn)為植株受害后期葉片褪綠變紅，且相對(duì)于健康葉片明顯增厚，危害嚴(yán)重時(shí)，葉片褪綠變?yōu)樽仙玔22]（圖2）。青稞受BYDV侵染后，所表現(xiàn)的癥狀與小麥上相差甚微，主要表現(xiàn)為葉片明顯黃化，植株變矮，受害嚴(yán)重時(shí)，植株葉片變紅變紫（圖3）。

在植物生理方面，小麥感染BYDV-GAV后株高、葉綠素含量、千粒重等明顯下降，植株體內(nèi)過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）等的活性升高[23-25]。

圖1 小麥?zhǔn)芎ΠY狀Fig. 1 Symptoms of the virus-infected wheat

圖2 燕麥?zhǔn)芎ΠY狀Fig. 2 Symptoms of the virus-infected oat

圖3 青稞受害癥狀Fig. 3 Symptoms of the virus-infected hulless barley

1.2 BYDV傳播

BYDV的主要傳毒介體為蚜蟲，主要有麥二叉蚜（Schizaphis guaminum）、禾谷縊 管 蚜（Rpopalosiphum padi）、 麥 長 管 蚜（Sitobion avenae）、 玉 米 蚜（Rpopalosiphum maidis）[26]。蚜蟲傳毒過程為蚜蟲在吸食已被病毒侵染的植株韌皮部汁液后，植株體內(nèi)的病毒粒子存在于蚜蟲體內(nèi)，而后通過蚜蟲取食新葉片隨唾液進(jìn)入植株內(nèi)從而為害植株的正常生長，且蚜蟲在取食感染BYDV-GAV的植株后其體內(nèi)POD、超氧化物歧化酶（SOD）、酸性磷酸酶（ACP）的活性明顯升高[21,24]。

環(huán)境條件在一定程度也會(huì)影響病毒的傳播，有學(xué)者研究了干旱脅迫和溫度對(duì)病毒傳播的影響[20]，結(jié)果表明溫度升高會(huì)影響蚜蟲遷飛，有助于BYDV的侵染；植株受到干旱脅迫時(shí)，感染BYDV的植株相對(duì)較多。蚜蟲的遷飛時(shí)間也會(huì)影響病害的發(fā)生，東南方地區(qū)小麥蚜蟲的遷出時(shí)間較早可能會(huì)導(dǎo)致西北地區(qū)春麥區(qū)黃矮病發(fā)生流行嚴(yán)重，從而對(duì)作物的生產(chǎn)造成一定影響。在其他方面，作物播種時(shí)間越早，病害發(fā)生越嚴(yán)重；不同品種作物感染BYDV的程度也不一致。

1.3 BYDV株系分化

株系是病毒粒體變異后的病毒粒體總稱。病毒的變異包括其致病力、寄主范圍、傳播特性甚至病毒粒體形狀受生物、物理、化學(xué)等因素影響后發(fā)生性狀的變化。BYDV的株系劃分主要依據(jù)其傳播介體的?；赃M(jìn)行，目前美國劃分有BYDV-RPV、BYDV-RMV、BYDV-SGV、BYDVPAV、BYDV-MAV株系（表1）[3]。我國BYDV株系的鑒定最早于20世紀(jì)70年代由周廣和等[14]完成，結(jié)果鑒定得到我國BYDV主要有PAV、GPV、GAV、RMV 4種株系，其中GAV為我國主要流行株系，且為我國特有株系（表2）。相關(guān)序列分析結(jié)果顯示，我國的GAV株系與國外確定的MAV株系血親學(xué)關(guān)系較近，外殼蛋白序列一致性較高，在利用復(fù)制酶基因或非編碼區(qū)域進(jìn)行序列比對(duì)時(shí)發(fā)現(xiàn)我國的BYDV-GAV與PAV-aus的同源性較高[25-26]。

表1 美國BYDV株系分化Table 1 Strain differentiation of BYDV in America

表2 我國BYDV株系分化Table 2 Strain differentiation of BYDV in China

在我國主要的麥類作物種植地區(qū)，小麥黃矮病都有或輕或重的發(fā)生流行。研究發(fā)現(xiàn)青海省、西藏拉薩地區(qū)、哈爾濱等地的麥類作物種植區(qū)BYDV主要為害株系為GAV株系[7-8]，陜西省主要麥類作物種植區(qū)也存在BYDV-GAV的侵染[5]。根據(jù)其傳播介體帶毒率的不同，有研究表明山西省、青海省、甘肅省等地蚜蟲的BYDV-GAV帶毒率較高[27]。

1.4 病害防治

BYDV在我國主要糧食種植區(qū)為害嚴(yán)重，威脅著我國的糧食生產(chǎn)，因此該病害的防治也是重中之重。對(duì)于該病害的防治目前報(bào)道的主要有農(nóng)業(yè)、化學(xué)、生物防治等[28]，但病害防治要遵循“預(yù)防為主，綜合防治”的植保方針，多種防治方法綜合利用，進(jìn)而減少環(huán)境污染，提高防治效率。

BYDV-GAV是我國的主要流行株系[14]，其傳毒介體為麥二叉蚜和麥長管蚜，阻斷其傳播途徑是防治該病害的重要途徑。但蚜蟲的傳毒過程受遷飛時(shí)間、當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件等因素影響，對(duì)作物造成的危害具有時(shí)間的不確定性，因此增大了病害防治難度。殺蟲劑和病毒抑制劑的混用可有效的減輕蚜蟲的帶毒為害，研究表明殺蟲劑吡蟲啉和病毒必克的復(fù)配混用可有效預(yù)防小麥黃矮病[29]。另有研究人員發(fā)現(xiàn)云芝多糖可抗BYDV，且一定濃度的云芝多糖可有效防治小麥黃矮病，該藥劑的提前噴施對(duì)寄主小麥起到一定的保護(hù)作用[30-32]。藥劑拌種是病害化學(xué)防治的一條重要途徑，目前對(duì)該病害的防治應(yīng)用最多的藥劑拌種有吡蟲啉等。小麥返青拔節(jié)期時(shí)噴施最新型的植物源農(nóng)藥WCT（多羥基雙萘醛）也可對(duì)該病害起到良好的防治作用[33]。

在農(nóng)業(yè)防治方面，選取種植適合當(dāng)?shù)氐目剐←滭S矮病作物品種可在一定程度上減輕BYDV的侵染，有研究人員在陜西渭北合縣對(duì)所種植小麥品種進(jìn)行抗病性鑒定，并選育晉麥54號(hào)、晉麥47號(hào)等品種在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行種植，結(jié)果顯示當(dāng)年小麥黃矮病的發(fā)生相對(duì)較輕[29]。在青海省，有研究表明甘A100、蘭麥-2對(duì)于小麥黃矮病具有較好的抗病性[34]，在晉南冬麥地區(qū)，臨抗1號(hào)新品種的種植對(duì)于小麥黃矮病具有較好的抗病性[35]。

2 BYDV基因組結(jié)構(gòu)及功能

BYDV為正義單鏈RNA分子，基因組大小約為5.7 kb，包含6個(gè)開放閱讀框（Open reading frame, ORF）和4個(gè)非編碼區(qū)（Untranslated region,UTR），基因組5′端無帽子結(jié)構(gòu)，3′端無多聚腺苷酸Poly（A）尾巴（圖4），也不折疊成類似tRNA 的結(jié)構(gòu)[14,25-26,36]。

圖4 BYDV基因組結(jié)構(gòu)[25]Fig. 4 BYDV genome structure[25]

基因組結(jié)構(gòu)內(nèi)存在部分序列的重疊，ORF1編碼蛋白P1，P1蛋白的功能尚不明確[25]，結(jié)構(gòu)上ORF2與ORF1存在序列的部分重疊，ORF2編碼蛋白P2，P2不能獨(dú)立表達(dá)，蛋白P2與蛋白P1的融合表達(dá)與基因組的復(fù)制能力有關(guān)[26]，曾有研究人員報(bào)道蛋白P1內(nèi)含有解旋酶，但后期研究并未驗(yàn)證這一結(jié)果[25-26]。ORF3編碼其外殼蛋白（Coat protein, CP），分子量大小為22 ku，CP是BYDV病毒粒子表面的主要成分，與病毒的蚜蟲傳播?；悦芮邢嚓P(guān)[37]。ORF4包含于閱讀框ORF3中，兩者之間存在序列的重疊，ORF4編碼病毒的運(yùn)動(dòng)蛋白（Movement protein, MP），其蛋白分子量大小為17 ku，與病毒在植物組織細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，可幫助病毒穿透植株的韌皮部細(xì)胞，從而對(duì)植株造成傷害，影響植株的正常生長發(fā)育，運(yùn)動(dòng)蛋白的研究與病毒的致病性、寄主范圍、毒性有相關(guān)，MP的缺失會(huì)影響病毒對(duì)植株的系統(tǒng)侵染[38-39]。ORF5編碼蛋白P5，位于CP的末端，與CP蛋白通讀形成通讀蛋白（Read through protein, RTP）而非融合蛋白，主要存在于病毒表面，部分研究表明通讀蛋白與病毒的蚜蟲傳播?；杂嘘P(guān)，近年來有研究表明該蛋白也會(huì)影響病毒在植株體內(nèi)的穩(wěn)定、擴(kuò)散以及積累[40-41]。ORF6編碼蛋白P6，位于基因組3′端，目前對(duì)于蛋白P6的功能尚不明確，部分研究發(fā)現(xiàn)其可能與病毒的復(fù)制有關(guān)[25-26]，此現(xiàn)象還未得到進(jìn)一步的證實(shí)。

目前我國已完成BYDV-GAV基因組全序列的克隆[15]，且對(duì)于其基因功能的研究也較為完善?；蚪M水平上不同蛋白功能的研究對(duì)于該病害的研究提供了更多的理論支持，CP、MP、RTP的相關(guān)研究對(duì)該病毒的復(fù)制、傳播、積累、蚜蟲專化性等方面具有重要作用。目前，該病毒基因功能的研究存在部分欠缺，對(duì)于單個(gè)基因功能尚不明確的研究還有待進(jìn)一步推進(jìn)。

3 BYDV-GAV抗性鑒定、抗病基因鑒定

3.1 抗性鑒定

抗病性是植物對(duì)病害的抗耐受程度的一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，是培育抗病植株不可或缺的一項(xiàng)重要指標(biāo)[42]?？共⌒澡b定是植物抗病育種的一個(gè)重要評(píng)價(jià)方式。小麥、青稞、燕麥對(duì)小麥黃矮病的抗性鑒定主要通過堆測法和人工接種兩種方法進(jìn)行[34-35]，以病害平均嚴(yán)重度和病情指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)作為抗病性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)病害平均嚴(yán)重度可分為6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：平均嚴(yán)重度=0為免疫（I），0≤平均嚴(yán)重度＜1為高抗（HR），1≤平均嚴(yán)重度＜2為抗?。≧），2≤平均嚴(yán)重度＜3為中抗（MR），3≤平均嚴(yán)重度＜4為感?。⊿），平均嚴(yán)重度≥4為高感（HS）[19,43]。根據(jù)病情指數(shù)分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：病情指數(shù)≥50為高感，20＜病情指數(shù)＜50為感病，病情指數(shù)≤25為耐病[44]。曾有學(xué)者通過人工接種法對(duì)不同青稞品種進(jìn)行小麥黃矮病的抗病性評(píng)價(jià)，根據(jù)病害平均嚴(yán)重度評(píng)價(jià)得到供試25份青稞品種中只有1份表現(xiàn)為抗病[10]。另有學(xué)者對(duì)部分燕麥品種進(jìn)行了抗小麥黃矮病評(píng)價(jià)，同樣以病害嚴(yán)重度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明所采集的33份燕麥品種中有10份品種抗小麥黃矮病[19]。在小麥對(duì)BYDV-GAV的抗性鑒定方面，有研究人員通過推測法并依據(jù)病情指數(shù)對(duì)231份小麥品種進(jìn)行了抗病性評(píng)價(jià)，得到其中5個(gè)品種具有較好的抗性[45]。更多抗病品種的選育是目前該病害防治工作的重要途徑。

3.2 抗性基因鑒定與標(biāo)記

目前，雖未在小麥屬內(nèi)發(fā)現(xiàn)對(duì)BYDV的良好抗源及抗性基因，但在其近緣種中發(fā)現(xiàn)并鑒定出多個(gè)抗性基因，且已有學(xué)者通過生物技術(shù)將該基因?qū)氲叫←溨?，培育出多個(gè)小麥抗黃矮病品系[46-48]。

最早由中國學(xué)者和法國學(xué)者通過導(dǎo)入抗BYDV染色體培育的L1抗源高抗BYDV-GAV，以L1為主要抗源，通過雜交、回交等基因工程技術(shù)目前培育出了多個(gè)抗黃矮病品種。BYDV抗性基因相關(guān)研究表明，其抗性基因主要集中在3組染色體上，其中定位在7Ai和2Ai染色體上的抗性基因被廣泛應(yīng)用，在此項(xiàng)研究之前發(fā)現(xiàn)的抗性基因Yd1、Yd2、Yd3曾被應(yīng)用于生產(chǎn)中，但因其不穩(wěn)定性，造成該抗性基因應(yīng)用范圍較窄[47]?？共』虻拈_發(fā)對(duì)于小麥黃矮病的防治具有重要意義。張?jiān)銎G等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)小麥親緣種——中間偃麥草對(duì)BYDV具有良好的抗性，該物種包含至少兩個(gè)抗BYDV的基因，分別定位到第7組和第2組染色體上，其中精準(zhǔn)定位在中間偃麥草7X染色體上的一個(gè)抗性基因被命名為Bdv2[49-50]，在此研究基礎(chǔ)上，利用各種雜交技術(shù)培育出了多個(gè)抗小麥黃矮病小麥-中間偃麥草易位系，并在易位系YW462中檢測到抗小麥黃矮病基因Bdv2的存在[51]。有研究人員以小麥抗黃矮病易位系YW462為主要材料，通過基因組學(xué)等方法獲得了重要的抗BYDV候選基因TiRB，該基因的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大了BYDV抗性基因的來源，為抗病品種的培育提供了更廣闊的研究背景。除中間偃麥草外，還發(fā)現(xiàn)小麥的近緣種-多枝賴草，對(duì)于小麥黃矮病具有較高的抗病性，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多枝賴草與普通小麥的雜交后代Line24對(duì)BYDV-GAV具有良好的抗病性。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)小麥近緣種-無芒中4也是BYDV-GAV的一種良好抗源[52-53]。

近年來，分子標(biāo)記技術(shù)不斷創(chuàng)新進(jìn)步，分子標(biāo)記對(duì)于抗病基因的確定、抗病基因的導(dǎo)入、抗病品種的培育和新品種的抗性鑒定具有重要作用，興起的SSR、RFLP、RAPD等標(biāo)記技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于抗病基因的篩選與定位[54-55]。傳統(tǒng)的抗病基因鑒定方法主要為表型鑒定，但該方法存在一定的局限性，無法準(zhǔn)確及時(shí)的表達(dá)該抗性基因。其他分子技術(shù)如PCR標(biāo)記、RFLP標(biāo)記等分子水平的標(biāo)記鑒定雖能準(zhǔn)確鑒定抗病基因的存在，但分子水平的標(biāo)記鑒定技術(shù)要求水平較高、鑒定程序較為繁瑣，對(duì)于抗病品種的鑒定培育存在一定困難。此外，抗病基因?qū)脒M(jìn)鑒定標(biāo)記后能否一直存在，是否會(huì)丟失仍需要進(jìn)一步研究確定。

4 問題與展望

目前，對(duì)于BYDV-GAV各蛋白功能的研究還有部分欠缺，如蛋白P6的功能到目前為止尚不明確。且各蛋白干涉載體的建立以及其單克隆抗體的制備都具有一定的研究前景[56]。

BYDV-GAV雖為我國的主要流行株系[14]，但我國BYDV株系較多，對(duì)于各株系間的鑒定除血清學(xué)鑒定、分子鑒定等方式外未開發(fā)更簡便有效的鑒定方式。

BYDV對(duì)麥類作物為害嚴(yán)重，植物發(fā)病對(duì)應(yīng)著防治，因此對(duì)該病害的防治也是目前最為緊要的任務(wù)。“預(yù)防為主，綜合治理”的植保方針同樣適用于病毒病害的防治，有害生物綜合防治是病害防治的重要理念，農(nóng)業(yè)、物理、化學(xué)、生物等的綜合應(yīng)用可有效預(yù)防病害的發(fā)生為害[57]。對(duì)于小麥黃矮病的防治除利用選育抗病性較高品種、選育各種易位系及附加系外，還可利用化學(xué)防治中殺蟲劑與病毒必克的混用噴施，但化學(xué)防治對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定程度的污染，因此新型無污染藥劑的研究也是小麥黃矮病防治的一項(xiàng)突破。在抗病品種培育方面，截至目前未在小麥屬內(nèi)發(fā)現(xiàn)BYDV-GAV的抗性基因，確定的主要抗性基因Bdv2來源于小麥親緣種-中間偃麥草[49-51]，因此小麥屬內(nèi)和小麥近緣種內(nèi)抗性基因的鑒定仍是研究的一個(gè)重要方向。由目前小麥黃矮病抗病育種現(xiàn)狀分析可見，篩選更多的抗性基因，拓寬抗性基因的來源，將篩選出的一個(gè)或多個(gè)抗性基因?qū)胄←溨卸际切←滭S矮病抗病育種的可選途徑[28,58]。