甘蔗黑穗病研究進(jìn)展

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南開遠(yuǎn) 661699）

0 前言

甘蔗是熱帶和亞熱帶地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物，主要用于生產(chǎn)蔗糖、乙醇、生物燃料和纖維相關(guān)制品[1]。全球甘蔗種植國(guó)有100 多個(gè)，種植面積達(dá)2 610 萬hm2，甘蔗產(chǎn)量約18.3 億t[2]。我國(guó)種植面積僅次于巴西和印度[3]，主要蔗區(qū)包括廣西中南部、云南西南部、廣東西部和海南北部，這些產(chǎn)區(qū)位于北緯18.5°～32°和東經(jīng)92°～122°[4]。甘蔗黑穗病是由甘蔗鞭黑穗菌引起的一種真菌性病害，嚴(yán)重造成植株生長(zhǎng)受阻、有效莖減少、纖維含量增加、蔗糖含量降低[5-6]；使蔗株表現(xiàn)出葉細(xì)長(zhǎng)、莖細(xì)小、分蘗增多和長(zhǎng)出一條黑穗鞭癥狀[5]。2018年以來由于持續(xù)高溫干旱的氣候條件，為甘蔗黑穗病的發(fā)生流行提供了有利條件。云南主栽或主推品種田間自然發(fā)病率調(diào)查表明，感黑穗病品種的最低發(fā)病率為20%，嚴(yán)重發(fā)病率甚至達(dá)100%，造成甘蔗產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了科學(xué)防治甘蔗黑穗病，本文結(jié)合甘蔗黑穗病的發(fā)生、危害、病原、癥狀、遺傳多樣性、甘蔗對(duì)黑穗病菌的脅迫響應(yīng)特點(diǎn)，為甘蔗黑穗病的有效防控提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 甘蔗黑穗病的發(fā)生及危害情況

甘蔗黑穗?。⊿ugarcane smut disease）又稱甘蔗鞭黑穗病、甘蔗黑粉病[7]。該病最早于1877年在南非納塔爾發(fā)現(xiàn)[8]，后來在夏威夷、臺(tái)灣、巴西、阿根廷、佛羅里達(dá)、巴基斯坦和津巴布韋都有發(fā)生[5]。1940 年以前該病僅發(fā)生在東半球，1971年甘蔗黑穗病蔓延到美國(guó)夏威夷州，1978年在佛羅里達(dá)州發(fā)生，到目前為止除了新幾內(nèi)亞以外所有蔗區(qū)均有發(fā)生[5]。我國(guó)廣東省首次報(bào)道了甘蔗黑穗病，中國(guó)臺(tái)灣省已曾發(fā)生過幾次大流行[5]。近年來，在廣西、云南、廣東、海南等主產(chǎn)蔗區(qū)普遍發(fā)生[5]。

不同時(shí)期的當(dāng)家品種‘夏威夷H78-7750’、‘印度419’、‘臺(tái)糖134’、‘川糖61-408’、‘桂糖11 號(hào)’、‘桂糖12 號(hào)’和當(dāng)前主栽品種如‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘閩糖69-421’等因高度感染黑穗病而即將面臨著被淘汰[5]。黑穗病的發(fā)生呈日趨加重之態(tài)勢(shì)，特別在宿根蔗地上更為嚴(yán)重。黑穗病流行導(dǎo)致新植蔗區(qū)感病品種產(chǎn)量損失為39%～56%，宿根蔗區(qū)產(chǎn)量損失為52%～73%[9]。

2 甘蔗黑穗病癥狀、病原、遺傳多樣性及分子檢測(cè)

2.1 甘蔗黑穗病癥狀

蔗株在生長(zhǎng)初期幼芽頂端等易受黑穗病菌侵染[10]。蔗株被侵染后表現(xiàn)出分蘗增多[11]、蔗葉淡綠細(xì)長(zhǎng)、頂葉尖挺、蔗莖細(xì)小和節(jié)疏等癥狀[12]。隨著黑穗病菌的不斷蔓延在梢頭漸漸形成由植物組織和真菌組成不分支，方向朝下向內(nèi)卷曲的鞭狀物[13]。鞭狀物早期為白色，2～4 個(gè)月后產(chǎn)生大量厚垣孢子，形成鞭長(zhǎng)為數(shù)厘米到幾十厘米不等的黑色鞭狀物，6～7 個(gè)月黑鞭長(zhǎng)度達(dá)最長(zhǎng)[13-14]。成熟的孢子分布在黑色鞭狀物的頂端，較成熟的孢子分布在黑色鞭狀物的中部，未成熟的孢子分布在黑色鞭狀物的基部[2]。

2.2 甘蔗黑穗病病原

甘蔗黑穗病是由擔(dān)子菌綱（Basidiomycetes）孢堆黑粉菌屬（Sporisorium）甘蔗鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的一種真菌性病害[2]。該病原菌在寄主體內(nèi)屬系統(tǒng)性寄生，除寄生于甘蔗外，還寄生白茅[5]。該病原菌基因組大小為19.8 Mb，編碼6 677個(gè)蛋白[15]。甘蔗鞭黑粉菌最適溫度生長(zhǎng)范圍是25～30℃，最適溫度是28℃，生長(zhǎng)相對(duì)濕度是80%以上；中性或偏酸性條件下有利于菌落生長(zhǎng)，光照對(duì)菌落生長(zhǎng)影響不大[16]。孢子主要靠氣流傳播，其次是灌溉水和雨水，某些昆蟲亦是傳病的媒介[2]。帶病蔗種是遠(yuǎn)距離傳播的來源和病區(qū)初次侵染的來源；感病的宿根蔗、帶菌的土壤和田間感病雜草也是一些地區(qū)的菌種來源[17]。甘蔗鞭黑粉菌生命周期中存在3 個(gè)不同的階段：?jiǎn)伪扼w孢子階段、雙核菌絲階段和二倍體孢子階段[15]（圖1）。在適宜的環(huán)境條件下，冬孢子萌發(fā)形成雙核菌絲體，雙核菌絲體形成“＋”和“－”兩種類型的單倍體孢子[15]，單獨(dú)的“＋”或“－”單倍體孢子不能形成有侵染力的菌絲，只有“＋”和“－”交配型單倍體孢子結(jié)合才能形成具有侵染性的菌絲[15]。在這個(gè)過程中菌絲的融合與致病性分別受保守的基因位點(diǎn)a和b的調(diào)控[18]，因此，這兩個(gè)位點(diǎn)的調(diào)控對(duì)黑穗病的發(fā)生和流行至關(guān)重要。

圖1 甘蔗黑穗病菌生命周期發(fā)育階段模式Fig.1 Life cycle development model of S.scitamineum smut

2.3 甘蔗黑穗病菌遺傳多樣性

甘蔗鞭黑粉菌存在生理小種分化的普遍現(xiàn)象。比如，夏威夷存在A 和B兩個(gè)生理小種，巴西至少存在2個(gè)生理小種，巴基斯坦存在5 個(gè)生理小種[19]。20世紀(jì)90 年代曾報(bào)道我國(guó)存在2個(gè)生理小種，分別是小種1和小種2，其中小種1 是優(yōu)勢(shì)小種[20]，2001 年我國(guó)甘蔗黑穗病生理小種普查結(jié)果表明臺(tái)灣有3 個(gè)，其它地方有2個(gè)[21]。DENG 等[22]2018 年報(bào)道我國(guó)大陸蔗區(qū)至少存在3 個(gè)不同致病力的甘蔗黑穗菌致病力分化類型或生理小種。另外，甘蔗鞭黑粉菌菌株遺傳多樣性分析表明，來自非洲和美洲的甘蔗鞭黑粉菌菌株屬于同一個(gè)譜系，并且這個(gè)譜系在亞洲群體中也存在，表明亞洲是甘蔗黑穗病的起源[23]；廣東蔗區(qū)30個(gè)甘蔗鞭黑粉菌菌株的遺傳多樣性與菌株的地理來源呈顯著相關(guān)，與品種間的相關(guān)性不大[24]；我國(guó)6 個(gè)甘蔗產(chǎn)區(qū)（廣西、云南、廣東、海南、福建、江西）23個(gè)甘蔗鞭黑粉菌菌株可在屬水平上劃分，也可在近緣種間區(qū)分[25]，但與甘蔗（寄主）之間不存在協(xié)同進(jìn)化的證據(jù)[26]。

2.4 甘蔗黑穗病菌分子檢測(cè)

PCR技術(shù)以其快速靈敏的特征已廣泛應(yīng)用于黑穗病病原菌快速檢測(cè)。沈萬寬等[27]應(yīng)用PCR 和巢式PCR進(jìn)行甘蔗黑穗病菌早期檢測(cè)。SU等[28]建立的TaqMan定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)也可用于早期甘蔗黑穗病檢測(cè)。ALBERT等[29]開發(fā)出特異性引物對(duì)bE4/bE8，SHEN等[30]用特異性引物對(duì)SL1/SR2 進(jìn)行甘蔗黑穗病菌快速分子檢測(cè)。SHEN等[31]還開發(fā)出特異性環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)，根據(jù)F3/B3和FIP/BIP引物對(duì)的特異性檢測(cè)甘蔗黑穗病菌是否存在。李海明[32]應(yīng)用酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法進(jìn)行早期甘蔗黑穗病檢測(cè)；SINGH等[33]用分生組織染色和光學(xué)顯微鏡技術(shù)可判斷材料是否感染甘蔗黑穗病。這些檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了甘蔗黑穗病菌的高效和快速檢測(cè)。

3 甘蔗對(duì)黑穗病菌的脅迫響應(yīng)

3.1 甘蔗不同組織對(duì)黑穗病菌的脅迫響應(yīng)

寄主植物不僅通過物理性結(jié)構(gòu)防御響應(yīng)甘蔗鞭黑粉菌的脅迫[6,34]，還通過不同組織生化物質(zhì)含量的變化響應(yīng)甘蔗鞭黑粉菌的脅迫（表1）。胼胝質(zhì)沉積在甘蔗鞭黑粉菌菌絲侵染的細(xì)胞周圍，抑制菌絲的侵染，這是典型的結(jié)構(gòu)性防御[40]。糖苷類物質(zhì)在芽鱗中積累抑制孢子的萌發(fā)和菌絲的生長(zhǎng)[34]，果汁糖蛋白含量的變化影響孢子萌發(fā)的細(xì)胞質(zhì)極性而抑制芽管產(chǎn)生和孢子萌發(fā)[35]，這些不同組織生化物質(zhì)的變化是典型的生理生化響應(yīng)。

表1 甘蔗不同組織對(duì)鞭黑粉菌的脅迫響應(yīng)Table 1 Response to the stress of S.scitamineum in different part of sugarcane

3.2 甘蔗防御酶系統(tǒng)對(duì)黑穗病菌的脅迫響應(yīng)

甘蔗鞭黑粉菌侵染甘蔗后，在健康和抗病甘蔗的汁液中檢測(cè)到具有防御功能的精氨酸活性酶，而在感病品種的汁液中沒有檢測(cè)到[41]；發(fā)現(xiàn)抗病品種‘mayar55-14’、‘桂糖2號(hào)’、‘NCo376’和‘新臺(tái)糖10號(hào)’苯丙氨酸解氨酶活性高于感病品種‘Barbados42231’、‘新臺(tái)糖22 號(hào)’、‘F134’和‘FN83-0607’[42]；抗病品種‘崖城05-179’和‘桂糖28 號(hào)’的過氧化氫酶活性始終高于感病品種‘柳城03-182’和‘新臺(tái)糖22號(hào)’[42]；抗性品種‘桂糖28 號(hào)’超氧化物歧化酶和多酚氧化酶活性高于感病品種‘新臺(tái)糖22 號(hào)’[43]；抗病品種‘NCo376’和‘新臺(tái)糖10號(hào)’酪氨酸解氨酶（TAL）、4-香豆酸輔酶A 連接酶活性上升幅度和持續(xù)時(shí)間顯著大于高感品種‘F134’和‘FN83-0607’[44]；還發(fā)現(xiàn)抗病品種‘崖城05-179’的β-1,3-葡聚糖酶活性比感病品種‘柳城03-182’持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[45]。以上結(jié)果表明防御酶系統(tǒng)酶活性與甘蔗抗感黑穗病水平有一定的關(guān)系。

3.3 甘蔗基因?qū)谒氩【拿{迫響應(yīng)

接種甘蔗黑穗病菌后，甘蔗相關(guān)基因以不同的表達(dá)方式和差異表達(dá)響應(yīng)了甘蔗黑穗病菌脅迫。黑穗病病原菌192個(gè)毒力相關(guān)基因中31個(gè)在各個(gè)階段均有表達(dá)，32個(gè)在甘蔗感病的不同階段表達(dá)[10]，以及抗病品種‘崖城05-179’接種后48 h 抗病基因的表達(dá)顯著高于對(duì)照24 h 和120 h 的表達(dá)，也超過感病品種‘新臺(tái)糖22號(hào)’48 h 的表達(dá)[46]響應(yīng)了黑穗病菌脅迫。甘蔗絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路中3 個(gè)候選基因ScBAK1、Sc-Mapkk和ScGloI[47]，甘蔗相關(guān)酶基因的表達(dá)（表2）和木質(zhì)素合成相關(guān)基因CCR、泛素介導(dǎo)的蛋白降解相關(guān)基因UCH-LE5、植物與病原菌互作相關(guān)基因GK、MLO、HIR1和乙烯途徑相關(guān)基因EIL3等的差異表達(dá)也響應(yīng)了黑穗病菌的脅迫[12]。

表2 甘蔗相關(guān)酶基因?qū)谒氩【拿{迫響應(yīng)Table 2 The responses to stress of S.scitamineum of relative enzyme genes of sugarcane

4 甘蔗黑穗病的防治

4.1 利用抗病品種

甘蔗黑穗病發(fā)病輕重與甘蔗品種的抗病水平有密切的關(guān)系，有研究表明感病品種比抗病品種更早、更容易產(chǎn)生大量孢子堆[51]；感病品種蔗芽的薄壁細(xì)胞易被菌絲穿透和破壞，而抗病品種沒有內(nèi)滲透現(xiàn)象，菌絲不能穿透和破壞薄壁細(xì)胞[51]。因此，抗黑穗病品種的使用是防控該病害有效的措施[52]。世界上甘蔗種植國(guó)如美國(guó)、古巴、印度、巴西、澳大利亞、法國(guó)以及我國(guó)等都把甘蔗黑穗病的抗性作為品種選擇的一個(gè)主要目標(biāo)[53]。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件選種抗性品種，中高抗黑穗病品種，如‘新臺(tái)糖10號(hào)’、‘新臺(tái)糖16 號(hào)’、‘新臺(tái)糖20 號(hào)’、‘中蔗1 號(hào)’、‘中蔗6 號(hào)’、‘中蔗9 號(hào)’、‘粵糖86-368’、‘粵糖93-159’、‘粵糖00-236’、‘粵糖00-318’、‘桂糖02-901’、‘桂糖29號(hào)’、‘桂糖31 號(hào)’、‘云蔗01-1413’、‘云蔗03-194’、‘云蔗03-258’、‘云蔗06-80’、‘云蔗08-2060’、‘云蔗05-51’、‘福農(nóng)91-21’、‘福農(nóng)15 號(hào)’、‘福農(nóng)36 號(hào)’、‘福農(nóng)0335’等的選用是甘蔗黑穗病防治的主要途徑[54-57]。

4.2 農(nóng)業(yè)防治

下種前施足基肥，適時(shí)灌溉，及時(shí)施肥培土，合理施用氮、磷、鉀肥，促使蔗苗生長(zhǎng)健壯，增強(qiáng)蔗株的抗病力。蔗田帶菌的枯葉、殘根、殘莖和土壤是次年的主要初侵染源，病菌經(jīng)傳播擴(kuò)散后會(huì)對(duì)蔗芽進(jìn)行侵染為害，因此要及時(shí)拔除病株，并集中燒毀，減少重復(fù)侵染源，控制擴(kuò)展蔓延。加強(qiáng)甘蔗與水稻、玉米、甘薯、花生、大豆和苜蓿輪作，減少黑穗菌病原的長(zhǎng)期侵染和積累，減輕病害的發(fā)生[4]。

4.3 化學(xué)農(nóng)藥防治

在實(shí)驗(yàn)室中，2.5 mg/L 五氯硝基苯和2.5 mg/L 二癸基二甲基氯化銨、50 mg/L 丙環(huán)唑、100 mg/L 三唑酮和200 g/L 環(huán)唑醇能顯著降低甘蔗黑穗病菌孢子萌發(fā)[58-59]；250 g/L 嘧菌酯懸浮劑、250 g/L 苯醚甲環(huán)唑乳油、300 g/L 苯醚甲環(huán)唑·丙環(huán)唑乳油、325 g/L 苯醚甲環(huán)唑·嘧菌酯懸浮劑和250 g/L 丙環(huán)唑乳油等藥劑對(duì)甘蔗黑穗病有良好的防治效果[60]。在田間試驗(yàn)中，種苗用2%～3%石灰水浸種24 h，52℃熱水浸種20 min，40%拌種雙可濕性粉劑、40%拌種靈可濕性粉劑、25%三唑酮可濕性粉劑、80%代森錳鋅可濕性粉劑、2.5%撲力猛懸浮種衣劑500～800倍液浸種10 min，有一定的防治效果；若用50℃熱水浸種2 h可徹底防除[61]。

4.4 生物農(nóng)藥防治

有報(bào)道稱4 種真菌Fusarium moniliforme[Gibberella fujikuroi]var.subglutinans、Aspergillus niger、A.flavus和Penicilliumsp.對(duì)甘蔗黑穗病菌冬孢子萌發(fā)具有抑制作用[62]；廖詠梅等分離到的細(xì)菌菌株中有極少數(shù)對(duì)黑穗病菌有強(qiáng)的拮抗能力[63]；從甘蔗根際分離出細(xì)菌菌株ST4能夠阻斷甘蔗鞭黑粉菌有性配合[64]。芽孢桿菌屬細(xì)菌BGMRC03005 對(duì)3 種鞭黑粉菌形態(tài)均有抑制作用[65]。到目前為止，未見這些生物藥劑在田間防控甘蔗黑穗病的有效報(bào)道。因此，在生物防治方面的工作還需進(jìn)一步深入研究。

5 展望

國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者在甘蔗黑穗病的發(fā)生與危害、病原與寄主互作、防治方面的研究取得了頗多成果。但是以下幾個(gè)方面還需更進(jìn)一步的探索：（1）明確生理小種分布。病原菌致病性和生理小種分化現(xiàn)象普遍存在，即不同蔗區(qū)存在不同的生理小種，不同小種對(duì)相同的甘蔗品種有不同的致病力，不同的甘蔗品種對(duì)相同黑穗病菌的抗病力也有很大的差異。明確生理小種的分布情況對(duì)于黑穗病的防治和抗病品種的選育至關(guān)重要。（2）不同輪作方式分析。甘蔗與水稻、玉米、甘薯、花生、大豆和苜蓿輪作，雖然減輕了病害的發(fā)生，但是其機(jī)理的解釋，發(fā)生規(guī)律的探索還需要進(jìn)一步深入。甘蔗與其他農(nóng)作物輪作是否也具有這樣的效果仍需研究。（3）抗黑穗病基因應(yīng)用。通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法或基因槍轉(zhuǎn)化法導(dǎo)入抗鞭黑穗病基因，提高抗鞭黑穗病基因的表達(dá)；利用基因甲基化或RNA 干擾等技術(shù)沉默甘蔗鞭黑穗病菌致病基因的表達(dá)，提高甘蔗植株的抗黑穗病能力。（4）新型生物農(nóng)藥研發(fā)?；瘜W(xué)農(nóng)藥的使用造成土壤、水源的污染，同時(shí)也威脅到人類的健康。而生物農(nóng)藥的使用對(duì)人和環(huán)境影響小、對(duì)農(nóng)產(chǎn)品污染小、還有利于保護(hù)有益昆蟲。因此，挖掘具有抑菌功能的生化物質(zhì)和篩選具有拮抗作用的真菌和細(xì)菌對(duì)黑穗病防治具有重要的意義。