陜西關(guān)中地區(qū)節(jié)節(jié)麥上小麥條銹菌群體結(jié)構(gòu)與毒性特征

魏國(guó)榮，劉 薇，王 琳，康振生，趙 杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

小麥條銹病(wheat stripe rust or yellow rust)是由活體寄生真菌條形柄銹菌小麥專(zhuān)化型(PucciniastriiformisWestend.f.sp.triticiEriks.)引起的葉部病害，具有毀滅性和暴發(fā)流行性特點(diǎn)，其無(wú)性繁殖主要寄主為小麥，輔助寄主包括16屬88種禾本科雜草[1]。

節(jié)節(jié)麥[Aegilopstauschii(Coss.)Schmal，異名：A.squarrosaauct.non Linn.]，俗稱(chēng)粗山羊草(goatgrass)，在分類(lèi)上屬于小麥族(Triticeae)、山羊草屬(Aegilops)。山羊草是小麥近緣屬種，通常為1～2a生，多見(jiàn)于麥田中，是小麥田間常見(jiàn)禾本科雜草。節(jié)節(jié)麥原產(chǎn)于中東，系中國(guó)外來(lái)物種，早期發(fā)現(xiàn)于陜西關(guān)中地區(qū)和河南新鄉(xiāng)(《中國(guó)植物志》電子版，http://www.iplant.cn/frps)，目前在10余個(gè)小麥產(chǎn)區(qū)均有分布[2]，并成為麥田的主要雜草種類(lèi)。陜西關(guān)中地區(qū)是節(jié)節(jié)麥的嚴(yán)重發(fā)生地，發(fā)生面積約33萬(wàn)hm2，占播種小麥面積2/5以上[3]。

節(jié)節(jié)麥?zhǔn)瞧胀ㄐ←?common wheat)D染色體組的供體親本，具有豐富的抗病等優(yōu)良抗逆基因。因此，節(jié)節(jié)麥被小麥抗病育種者作為種植資源，研究者發(fā)現(xiàn)節(jié)節(jié)麥對(duì)許多小麥條銹菌小種均表現(xiàn)抗性[4-7]。目前，不同學(xué)者在抗條銹病育種和抗條銹病基因挖掘方面開(kāi)展了較多研究，已鑒定來(lái)源于節(jié)節(jié)麥的抗條銹病基因，包括正式命名的Yr24、Yr28和Yr48[8-10]，一些臨時(shí)命名的Yr基因[5,11-12]，以及潛在的但尙未鑒定的抗條銹病基因[6-7,13-14]。

盡管節(jié)節(jié)麥具有非常優(yōu)異的抗銹性，但是也可以被小麥條銹菌侵染，作為其輔助寄主。20世紀(jì)90年代，袁文煥等[15]首次報(bào)道了節(jié)節(jié)麥?zhǔn)切←湕l銹菌的禾草寄主，且從采自陜西乾縣麥田的受銹菌侵染的節(jié)節(jié)麥上分離出小麥條銹菌生理小種條中29號(hào)(CYR29)，僅鑒定到小麥條銹菌單一小種侵染節(jié)節(jié)麥。近年來(lái)，節(jié)節(jié)麥被越來(lái)越多的育種家青睞，用于抗條銹病育種。然而，迄今，節(jié)節(jié)麥被侵染的小麥條銹菌的小種類(lèi)型究竟如何，尚無(wú)研究報(bào)道。因此，本試驗(yàn)對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)不同縣市的節(jié)節(jié)麥上的小麥條銹菌的群體組成及其毒性特點(diǎn)進(jìn)行了研究，為抗條銹病育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試菌株：于2020年春季在陜西關(guān)中地區(qū)8個(gè)地點(diǎn)，包括臨潼區(qū)張莊村(LT-1)、高陵縣陳西村(GL)、楊凌農(nóng)作一站(YL-J)、三原縣閆家莊(SY)、渭南南趙村(WN)、臨潼區(qū)西高村(LT-2)、臨潼區(qū)安屯村(LT-3)和楊凌東村(YL-1)，進(jìn)行小麥田間節(jié)節(jié)麥上的銹病標(biāo)樣采集，每個(gè)地點(diǎn)采集5片銹病葉片標(biāo)樣，用紙包裹，室內(nèi)晾干，密封后低溫保存用于病菌分離，共40份標(biāo)樣。

通用小麥條銹菌中國(guó)鑒別寄主、28個(gè)Yr單基因系，以及感病品種銘賢169的種子由西北農(nóng)林科技大學(xué)植物免疫研究室提供(表1)。

表1 用于本研究的小麥條銹菌中國(guó)鑒別寄主和Yr單基因系Table 1 Chinese differential host and single Yr gene lines of wheat stripe rust used in this study

1.2 方 法

1.2.1 幼苗培育 將鑒別寄主按“十”字，在1個(gè)裝有培養(yǎng)基質(zhì)(內(nèi)蒙古蒙肥生物科技有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū))的培養(yǎng)盆內(nèi)按順時(shí)針?lè)较虿シN4個(gè)品種(系)，每個(gè)品種(系)5～7粒種子，覆蓋育苗基質(zhì)輕壓，按代號(hào)做好標(biāo)簽插入培養(yǎng)盆。每套鑒別寄主播種時(shí)，單獨(dú)播種一盆‘銘賢169’。播種后，移入培養(yǎng)托盤(pán)，轉(zhuǎn)移到無(wú)菌培養(yǎng)生長(zhǎng)室，澆足水至盤(pán)高3/4處，設(shè)置生長(zhǎng)室溫度為16～20 ℃，光周期為16 h/8 h(光/暗)，光照強(qiáng)度為8 000～ 10 000 lx。待其生長(zhǎng)至一葉展平二葉露尖時(shí)用于接種。

1.2.2 小麥條銹菌分離與繁殖 在分布有節(jié)節(jié)麥的麥田采取“五點(diǎn)”取樣法，每個(gè)點(diǎn)采取1片節(jié)節(jié)麥銹病標(biāo)樣，裝入采樣袋，室內(nèi)陰干后，放入干燥器內(nèi)，置于冰箱低溫(4～5 ℃)貯存?zhèn)溆?。將?jié)節(jié)麥銹病標(biāo)樣表面沖洗后展平置于培養(yǎng)皿內(nèi)的潤(rùn)濕濾紙上，噴去離子水2～3次，加蓋黑暗靜置在4 ℃左右培養(yǎng)箱中后，待其表面露出鮮黃色夏孢子堆時(shí)，用潔凈接種針挑取單孢子堆接種于小麥‘銘賢169’幼苗葉片上，每個(gè)單孢子堆菌種只接種1片葉片，1個(gè)標(biāo)樣分別挑接3～5個(gè)單孢子堆，接種后進(jìn)行常規(guī)保濕、培養(yǎng)，待出現(xiàn)花斑時(shí)僅保留1株發(fā)病葉片，剪除其余葉片。收集菌種擴(kuò)繁后進(jìn)行毒性測(cè)定。

1.2.3 毒性測(cè)定 采用抖粉法接種，將夏孢子∶滑石粉=1∶20(v/v)的比例在硫酸紙或錫箔紙上充分混勻，裝入潔凈的15 mL塑料離心管中，用 2～3層潔凈紗布罩住離心管，用橡皮筋纏繞。將待接種的小麥，沿4個(gè)方向噴0.03%(v/v)吐溫20溶液，使小麥葉片表面形成水膜，將離心管顛倒，用細(xì)金屬棒輕輕敲擊，使混合粉均勻地散落在小麥葉片上。噴去離子水2～3次后，移入保濕培養(yǎng)箱(E-36L,Percival,USA)，10 ℃黑暗保濕 24 h。保濕結(jié)束后，將接種小麥移至生長(zhǎng)室。培養(yǎng)、光照與溫度條件同上。每個(gè)菌株的毒性測(cè)定，均設(shè)‘銘賢169’為感病對(duì)照。接種后15～20 d，待小麥‘銘賢169’發(fā)病后，根據(jù)0～9級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[16]，調(diào)查統(tǒng)計(jì)菌株在每個(gè)鑒別寄主上的反應(yīng)型 (infection type,IT)，將ITs 0～6劃定為無(wú)毒性(avirulent,A)，ITs 7～9劃定為有毒性(virulent,V)。

2 結(jié)果與分析

2.1 條銹菌群體毒性組成

40個(gè)分離于節(jié)節(jié)麥上的小麥條銹菌群體在19個(gè)通用中國(guó)鑒別寄主上的毒性譜特征表明，該群體中鑒定出16個(gè)不同的小種類(lèi)型，既包含已知小麥條銹菌小種，也包含未知新小種(表2和表3)。其中已知小種數(shù)量為30個(gè)，屬于6個(gè)小種類(lèi)型，包括CYR34(10個(gè)，占25%)、CYR33(2個(gè)，占5%)、CYR32(14個(gè)，占35%)、Hy-30(2個(gè)，占5%)、Hy-101(1個(gè)，2.5%)和Su11-24(1個(gè)，占2.5%)，小種CYR34和CYR32的數(shù)量較多，是侵染節(jié)節(jié)麥的主要小種類(lèi)型。新小種數(shù)量10個(gè)，它們的毒性特征不同，為10個(gè)不同類(lèi)型。

表2 陜西關(guān)中8個(gè)采樣點(diǎn)節(jié)節(jié)麥上40個(gè)小麥條銹菌的小種類(lèi)型Table 2 Population structure of 40 Puccinia striiformis f.sp.tritici isolates from rusted Aegilops tauschii in eight sampling sites of mid-Shaanxi based on Chinese differential host

(續(xù)表2 Continued table 2)

40個(gè)菌系在每一個(gè)中國(guó)鑒別寄主的毒性數(shù)量與比例各不相同(圖1)。該群體中對(duì)多數(shù)基因型小麥有毒性的菌系數(shù)量較多，個(gè)別菌系對(duì)中四有毒性，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)斯卑爾脫小麥(Triticumspelta album,Yr5)有毒性的菌系。

2.2 不同區(qū)域節(jié)節(jié)麥上條銹菌組成

不同采樣點(diǎn)的節(jié)節(jié)麥上小麥條銹菌的小種類(lèi)型不盡相同，即使是同一地區(qū)的不同采樣地點(diǎn)，小種類(lèi)型也不一樣。如CYR34僅在渭南南趙村、臨潼(西高村、安屯村)和楊凌東村的節(jié)節(jié)麥上鑒定出來(lái)，而在其他采樣點(diǎn)的節(jié)節(jié)麥上未鑒定到。而CYR32除三原閆家莊的節(jié)節(jié)麥標(biāo)樣未鑒定到外，在其他采樣點(diǎn)均鑒定到該小種(表3)。如臨潼區(qū)的張莊村為CYR33、CYR32和新小種1；西高村的為CYR34和CYR32；安屯村的為CYR34和CYR32。楊凌農(nóng)作一站的為CYR32、新小種4、新小種5和新小種6；而楊凌東村的為CYR34和CYR32(表4)，前者的小種類(lèi)型數(shù)量多于后者。

表3 8個(gè)采樣點(diǎn)節(jié)節(jié)麥上小麥條銹菌小種數(shù)量與來(lái)源地Table 3 Number and origin of Puccinia striiformis f.sp.tritici racesisolated from Aegilops tauschii in 8 sampling sites

表4 不同采樣點(diǎn)節(jié)節(jié)麥上分離的小麥條銹菌小種類(lèi)型Table 4 Races of Puccinia striiformis f.sp.tritici isolated from Aegilops tauschii in different sampling sites of Guanzhong area in Shaanxi

2.3 基于單基因系的毒性類(lèi)型

根據(jù)單基因系的測(cè)定，40個(gè)來(lái)自節(jié)節(jié)麥的小麥條銹菌群體共產(chǎn)生了33個(gè)不同的毒性類(lèi)型VP1～VP33(表5)，菌系類(lèi)型遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于中國(guó)鑒定寄主的小種鑒定結(jié)果(16個(gè)不同類(lèi)型小種)。其中VP15共有5個(gè)，分別來(lái)自楊凌(農(nóng)作一站)、三原(閆家莊)、渭南(南趙村)、臨潼(西高村和安屯村)。VP27有2個(gè)，分別來(lái)自渭南(南趙村)和臨潼(安屯村)；VP30有2個(gè)，均來(lái)自于臨潼安屯村，其余均為不同的單一的毒性類(lèi)型。表明，節(jié)節(jié)麥上可被多種小麥條銹菌菌系侵染。據(jù)此，田間節(jié)節(jié)麥對(duì)小麥條銹菌的“接納”能力非常強(qiáng)，非常有利于病原菌的累積。

表5 40個(gè)來(lái)自節(jié)節(jié)麥的小麥條銹菌菌系在單基因系的毒性、無(wú)毒性特征譜Table 5 Avirulence and virulence patterns of 40 Puccinia striiformis f.sp.tritici isolated from Aegilops tauschii on 28 single Yr gene lines

菌系中對(duì)Yr基因致病性存在差異，且不同的Yr位點(diǎn)有毒性、無(wú)毒性的菌系數(shù)量差異明顯(圖2)。40個(gè)菌系對(duì)供試的27個(gè)Yr基因中絕大多數(shù)表現(xiàn)有毒性(V)，僅個(gè)別菌系對(duì)Yr10、Yr24(=Yr26)、YrTr1和Yr26有毒性，毒性頻率為2.5%，對(duì)其他24個(gè)Yr位點(diǎn)的毒性頻率均在10%以上。沒(méi)有鑒定到對(duì)Yr5和Yr15有毒性的菌系。然而，對(duì)Yr44和YrA的毒性頻率高達(dá)90%。

3 討 論

3.1 節(jié)節(jié)麥上小麥條銹菌小種專(zhuān)化性

節(jié)節(jié)麥對(duì)小麥條銹菌小種具有非專(zhuān)化性。袁文煥等[15]利用7個(gè)小麥條銹菌小種CYR22～CYR29進(jìn)行室內(nèi)接種節(jié)節(jié)麥，節(jié)節(jié)麥均被侵染且呈高度感病反應(yīng)，表明節(jié)節(jié)麥小麥條銹菌沒(méi)有小種專(zhuān)化性，但是，從田間受侵染的節(jié)節(jié)麥上僅分離到了小麥條銹菌小種CYR29，而未分離到其他小種。本研究從田間受銹菌侵染的節(jié)節(jié)麥上分離鑒定了不同的小麥條銹菌小種，進(jìn)一步表明，節(jié)節(jié)麥對(duì)小麥條銹菌的小種不具小種專(zhuān)化選擇性。

3.2 節(jié)節(jié)麥條銹病發(fā)生及在小麥條銹病發(fā)生中的潛在作用

節(jié)節(jié)麥?zhǔn)且环N小麥田伴生的惡性雜草，生長(zhǎng)力強(qiáng)，田間生長(zhǎng)密度可達(dá)每667 m26萬(wàn)多株[15]。近些年來(lái)，不同學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)多個(gè)省份調(diào)查發(fā)現(xiàn)，麥田間節(jié)節(jié)麥高密度生長(zhǎng)的現(xiàn)象非常普遍[2-3,17-20]。筆者于2019年在陜西西部寶雞麥田中也觀察到了節(jié)節(jié)麥生長(zhǎng)密度非常高的現(xiàn)象，甚至在麥田邊觀察誤以為是節(jié)節(jié)麥田，可見(jiàn)其生長(zhǎng)數(shù)量之多，已嚴(yán)重遮蓋和影響了小麥正常生長(zhǎng)，周濟(jì)銘報(bào)道陜西關(guān)中的小麥田節(jié)節(jié)麥的田間密度高達(dá)10萬(wàn)～25萬(wàn)株/hm2，而且節(jié)節(jié)麥幾乎成為小麥田的單一危害雜草[3]。更重要的是，受侵染的節(jié)節(jié)麥產(chǎn)生大量的夏孢子，其通過(guò)風(fēng)傳播擴(kuò)散，為小麥條銹病的發(fā)生和流行起到了一定的作用。節(jié)節(jié)麥除了生長(zhǎng)在麥田，還可在田邊地頭等處生長(zhǎng)，不會(huì)受到人為防除或滅活，可以持續(xù)生長(zhǎng)，特別是在一些較高海拔地區(qū)，還有可能成為其越夏寄主，積累夏孢子，為小麥秋苗提供菌源。但節(jié)節(jié)麥?zhǔn)欠裨谛←湕l銹病的病害循環(huán)中起作用仍不清楚，需進(jìn)一步研究明確。

3.3 節(jié)節(jié)麥的防控與合理利用

節(jié)節(jié)麥的傳播呈蔓延擴(kuò)散趨勢(shì)，傳播越來(lái)越廣泛。節(jié)節(jié)麥起源于中東地區(qū)，向東傳播至中國(guó)。

1955年中國(guó)首次報(bào)道節(jié)節(jié)麥；其后80年代在新疆發(fā)現(xiàn)節(jié)節(jié)麥群落；迄今，節(jié)節(jié)麥已擴(kuò)散至中國(guó)15個(gè)省市，包括河北、北京、天津、河南、山西、山東、四川、陜西、江蘇、安徽、湖北、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、廣東[2]，并且呈不斷擴(kuò)大趨勢(shì)。這些地理分布地區(qū)大多數(shù)都是小麥條銹病的發(fā)生和流行區(qū)，表明節(jié)節(jié)麥已可能成為小麥條銹病發(fā)生的重要輔助寄主和“綠色橋梁”，應(yīng)當(dāng)引起重視。

節(jié)節(jié)麥很難防除，為小麥條銹病的發(fā)生提供了天然寄主。由于節(jié)節(jié)麥?zhǔn)瞧胀ㄐ←淒染色體組的供體親本，與小麥親緣關(guān)系較近，對(duì)絕大多數(shù)除草劑均不敏感，然而可用于防除節(jié)節(jié)麥的除草劑(如甲基二磺隆)危害小麥，產(chǎn)生對(duì)小麥不安全的問(wèn)題[21]。因此，節(jié)節(jié)麥在小麥田間的存活數(shù)量非常大，存活時(shí)間延長(zhǎng)，相應(yīng)地，為小麥條銹菌的侵染提供了寄主和存活場(chǎng)所，為小麥條銹病的發(fā)生起到了加劇作用。因此，采取安全有效的防除節(jié)節(jié)麥措施，亟待解決。

節(jié)節(jié)麥因其優(yōu)良抗銹性，被越來(lái)越廣泛地用于中國(guó)小麥抗銹育種，但是需引起育種者的警惕。節(jié)節(jié)麥因其具有優(yōu)異的抗銹性(條銹病、葉銹病和稈銹病)和與小麥同源的D基因組天然優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到眾多育種家的偏愛(ài)，被廣泛用于小麥抗銹育種，特別抗條銹育種[5-10,11-14,22-24]。如來(lái)自粗山羊草的抗條銹病基因Yr24[8]，被廣泛用于中國(guó)川麥系列小麥品種的抗條銹病育種，2009年對(duì)Yr24(=Yr26)致病的新小種G22-9(后正式命名為CYR34)出現(xiàn)后，導(dǎo)致大部分川育小麥品種喪失抗條銹性和該小種后續(xù)發(fā)展成為中國(guó)的流行小種，嚴(yán)重威脅小麥安全生產(chǎn)[25-27]。因此，對(duì)節(jié)節(jié)麥的抗病育種利用應(yīng)加以合理利用，以防單一過(guò)度利用，造成潛在的品種抗病性喪失和病害大面積流行性的發(fā)生。