水稻稻瘟病育種研究進(jìn)展

欒春晶 于鑫鑫 李修平

(佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

水稻(Oryza sativa L.)是世界上最重要的糧食作物之一，全球有超過(guò)1/2的人口以稻米為主食。隨著現(xiàn)代生活品質(zhì)的提高，糧食的品質(zhì)與產(chǎn)量直接影響人們的生活質(zhì)量。稻瘟病(Magnaporthe)作為水稻3大病害之一，發(fā)病頻率高、范圍廣，多年來(lái)已在全世界范圍內(nèi)成為影響水稻最嚴(yán)重的真菌病害，對(duì)水稻的產(chǎn)量造成不可挽回的損失。稻瘟病發(fā)病嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致50%以上減產(chǎn)，甚至造成部分區(qū)域絕產(chǎn)。近年來(lái)，我國(guó)稻瘟病發(fā)病頻率逐漸升高，對(duì)水稻的傷害日漸嚴(yán)重?，F(xiàn)存的防治措施方法中，化學(xué)防治效果快但易產(chǎn)生抗藥性且對(duì)環(huán)境危害大。因此，培育高品質(zhì)的抗病品種是當(dāng)下最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保，且有效的方法。

1 水稻稻瘟病的發(fā)生與危害

水稻稻瘟病是由(Magnaporthe oryzae)(無(wú)性態(tài)：Pyricularia oryzae)引起的一種具有極強(qiáng)危害性且防治困難的真菌性病害，具有傳播時(shí)間短、速度快、傳染性強(qiáng)的特點(diǎn)。稻瘟病在世界范圍內(nèi)是一種很常見(jiàn)的疾病，幾乎各個(gè)水稻種植區(qū)以及水稻植株的各部位均能發(fā)生，對(duì)全球水稻產(chǎn)區(qū)的水稻產(chǎn)量造成了重大影響。稻瘟病菌在前1a于稻草或者病谷上以分生孢子和菌絲的形式存在，待到第2年溫濕度條件均適宜的條件下，產(chǎn)生大量的分生孢子并傳播擴(kuò)散侵染植物組織。稻瘟病根據(jù)發(fā)病時(shí)期與部位的不同分類如下：苗瘟，種子帶菌是導(dǎo)致其產(chǎn)生的主要原因，秧苗長(zhǎng)至3葉期時(shí)，幼苗的根部呈現(xiàn)為灰黑色狀態(tài)，葉片褐棕色，葉片卷曲造成秧苗枯死；葉瘟，常發(fā)生在潮濕的條件下，主要發(fā)生在分蘗期與孕穗期，被侵染的葉片有大斑塊出現(xiàn)，變?yōu)椴灰?guī)則的灰色狀態(tài)，葉片背部表現(xiàn)為有灰色霉層出現(xiàn)；節(jié)瘟，大多發(fā)生于抽穗后，先在稻節(jié)出現(xiàn)黑色的斑塊，后擴(kuò)散至整節(jié)，導(dǎo)致莖稈折斷；穗頸瘟，初期病斑表現(xiàn)為在穗的頸、軸及枝梗上產(chǎn)生水漬狀的斑點(diǎn)，最終病斑形成大塊病斑，顏色由最初的深棕色逐漸變?yōu)楹诤稚?；谷粒瘟，感染初期在谷殼或護(hù)穎產(chǎn)生不規(guī)則的病斑，隨著病斑進(jìn)一步惡化稻谷由褐色逐漸變黑，致使種子攜帶病菌。稻瘟病在水稻整個(gè)生育期均可發(fā)生，其中，穗頸瘟是水稻稻瘟病中嚴(yán)重程度為首的，也是造成產(chǎn)量損失最嚴(yán)重的；其次為葉瘟，若在水稻幼苗時(shí)期感染稻瘟病可造成水稻整株植株直接死亡。

2 水稻稻瘟病鑒定技術(shù)

水稻稻瘟病的抗病性鑒定是育種的基礎(chǔ)，在育種的進(jìn)程中占據(jù)重要地位。自然誘發(fā)與人工接種是稻瘟病進(jìn)行抗性鑒定的主要方式。自然誘發(fā)鑒定法包括田間與病圃2種方法；人工接種鑒定法包括離體接種與非離體接種2種方法。在運(yùn)用自然誘發(fā)法鑒定時(shí)需注意，該方法極易受到環(huán)境因素的影響，且不同年份、地區(qū)的同一份材料鑒定后結(jié)果有較大差異。人工接種鑒定法主要接種方式包括噴霧、注射、涂抹、離體浸泡等，在進(jìn)行稻瘟病抗性鑒定的過(guò)程中，選用不同的接種方式也會(huì)影響鑒定的結(jié)果。張玉華[1]利用現(xiàn)有的菌種資源，人為地制造出一個(gè)致病的環(huán)境，對(duì)新品種材料進(jìn)行抗病性鑒定，結(jié)果表明，鑒定可行性高，為大量早期材料鑒定提供依據(jù)。吳雙清等[2]通過(guò)研究，提出了結(jié)果更加真實(shí)有效的技術(shù)：自然誘發(fā)鑒定體系的7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，采用人工接種、分子輔助選擇和病圃鑒定3種技術(shù)的結(jié)合，提高了鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確度，加快了育種的進(jìn)程。李華[3]為縮小鑒定群體，先進(jìn)行室溫苗期鑒定，提高了鑒定效率。為提高精確度，可以對(duì)重要突出材料進(jìn)行滴注法鑒定。

3 水稻抗稻瘟病抗源的篩選

挖掘、研究和利用抗病種質(zhì)資源是稻瘟病抗性育種的重要依據(jù)?；蛞驯欢ㄎ坏目乖础㈤L(zhǎng)期存在的病區(qū)且經(jīng)過(guò)自然選擇而得以保存的抗源以及野生或培育材料中的優(yōu)質(zhì)品種是目前獲得抗源的3種主要方式。收集的抗源材料必須通過(guò)本地自然誘發(fā)接種和本地優(yōu)勢(shì)稻瘟菌生理小種人工接種鑒定。只有都表現(xiàn)抗性材料，才能發(fā)揮出最大的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)水稻稻瘟病抗性種質(zhì)資源的研究一直在進(jìn)行。相繼鑒定出對(duì)稻瘟病具有持久抗病性或廣譜的資源“Moroberekan”“Dourode Perecose”“OS6”“IR36”“R42”“Milyang30”“Tetep”“三黃占2號(hào)”“梅三五2號(hào)”“谷梅2號(hào)”及“湘資3150”等?！叭S占2號(hào)”具有持久抗病性的主要原因，經(jīng)研究表明其主要由8個(gè)基因所控制，包含3個(gè)主效基因和5個(gè)微效多基因。沈瑛等[4]通過(guò)對(duì)我國(guó)多品種雜交稻進(jìn)行了抗性鑒定，篩選出4個(gè)品系具有較好的廣譜抗瘟性的，雖然4個(gè)品系均能夠抗下該實(shí)驗(yàn)所用的全部菌種，但其抗性基因目前還不清楚。陸賢軍等[5]對(duì)3255份四川當(dāng)?shù)夭牧线M(jìn)行抗性鑒定，鑒定結(jié)果表明，3255份材料中存在不同種類的抗性資源，其中抗苗瘟的材料最多，且多為秈粘型材料。Wu等[6]發(fā)現(xiàn)了“谷梅2號(hào)”與地谷2種材料對(duì)多種稻瘟病菌系皆表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗性，并且在“谷梅2號(hào)”材料中定位了2個(gè)位于第6染色體上的抗性基因Pi-25與Pi-26，成為在國(guó)內(nèi)抗病育種中發(fā)揮著重要作用的抗源材料。彭國(guó)亮等[7]對(duì)大部分病圃材料進(jìn)行了抗性鑒定，其結(jié)果表明，抗源材料主要來(lái)自抗源材料多且抗圃范圍廣的國(guó)際稻品種中，其中有66份材料抗圃達(dá)到90%以上，有5個(gè)品種被廣泛推廣。孫國(guó)昌等[8]用來(lái)自不同地區(qū)不同稻瘟病菌株進(jìn)行水稻新品種的抗稻瘟病抗性鑒定，結(jié)果顯示，不同地區(qū)菌株的致病力存在著明顯的差異。張亞玲等[9]利用黑龍江省水稻主要種植產(chǎn)區(qū)的不同稻瘟病菌株對(duì)多個(gè)水稻品種進(jìn)行致病力以及抗性鑒定分析，發(fā)現(xiàn)抗病性較好的2個(gè)品種分別為“松粳9號(hào)”“墾鑒稻6號(hào)”，二者抗性頻率分別達(dá)到了85%和82%。

4 水稻稻瘟病抗性基因定位研究

自20世紀(jì)60年代日本進(jìn)行稻瘟病基因遺傳研究后，已有許多具有抗性的基因被定位。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，水稻基因組測(cè)序的完成，水稻抗性基因的研究日益增多。朱立煌等[10]首次定位了位于8號(hào)染色體上的Pi-zh。朱獻(xiàn)豐[11]定位了位于12號(hào)染色體上的Pi6，Pigm是一種供體親本為“谷梅4號(hào)”廣譜性稻瘟病的抗性基因，位于6號(hào)染色體上，其與Pi2、Pi9、Piz-t、Pi26等基因?qū)偻患易?，或?yàn)閺?fù)等位基因，但是抗譜存在著顯著的差別。Deng等[12]發(fā)現(xiàn)Pigm基因?qū)Χ嗟鼐哂写硇缘木N均表現(xiàn)出良好的抗病性，且經(jīng)過(guò)調(diào)查得，該基因在全球50多個(gè)品種中均表現(xiàn)出較好的抗性，但粳稻中幾乎沒(méi)有Pigm基因。潘爭(zhēng)艷等[13]發(fā)現(xiàn)，有很多對(duì)稻瘟病具有較好抗性等位基因存在于Pik上，且發(fā)現(xiàn)最為常見(jiàn)同時(shí)抗稻瘟病效果又好的Pik-h。Chen等[14]發(fā)現(xiàn)對(duì)我國(guó)近800種菌株表現(xiàn)出抗性的基因Pi2。周敏[15]研究發(fā)現(xiàn)，抗病基因?qū)Φ疚敛〉目剐院透胁⌒杂幸欢ǖ牟町?。范方軍等[16]進(jìn)行篩選鑒定育種，通過(guò)對(duì)比稻瘟病抗性基因庫(kù)，將主要的抗性基因Pib、Pita、Pik-m與Pik-h導(dǎo)入水稻中，以解決當(dāng)?shù)氐牡疚敛〔『?。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)黑龍江的材料進(jìn)行了分析，對(duì)比5個(gè)不同的稻瘟病基因，結(jié)果顯示，Pita和Pi5的檢出率相對(duì)較高。向聰?shù)萚17]將Pigm導(dǎo)入C815S受體中，獲得了3個(gè)純合具有較高抗性的不育株系。何海燕等[18]進(jìn)行抗稻瘟病特異性檢測(cè)，針對(duì)部分材料發(fā)現(xiàn)最常見(jiàn)的基因?yàn)镻ib。蘭波等[19]采用特異標(biāo)記對(duì)當(dāng)?shù)仉s交材料進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，Piz和Pid3是當(dāng)?shù)厮究剐曰蛑凶畛Ｒ?jiàn)的2個(gè)基因。

5 水稻抗稻瘟病分子育種

分子標(biāo)記輔助育種(Mark Assistance Selecting，MAS)是通過(guò)與靶基因緊密結(jié)合或在基因中的標(biāo)記對(duì)靶基因直接選擇，通過(guò)該方法可以準(zhǔn)確地將目標(biāo)基因區(qū)域準(zhǔn)確傳遞，使得輪回親本的基因組修復(fù)速度有了極大的提升，從而大大縮短了育種周期，同時(shí)提高了育種的效率。近幾年來(lái)MAS技術(shù)推廣度越來(lái)越高，在育種中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)的改進(jìn)，高密度基因相關(guān)圖譜的構(gòu)建，水稻育種已步入生物技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的融合進(jìn)程，是目前向水稻品種轉(zhuǎn)移所需要的基因最先進(jìn)的途徑。

倪大虎等[20]將Pi9與白葉枯抗病基因Xa21及Xa23聚合復(fù)交，得到4個(gè)具有良好農(nóng)藝性狀的三基因聚合株系，利用MAS對(duì)F2群體進(jìn)行了選擇，發(fā)現(xiàn)其選擇的準(zhǔn)確率高達(dá)98%。聶元元等[21]利用MAS技術(shù)，將基因Pi1、Pi2和Pi9導(dǎo)入R225中進(jìn)對(duì)其F3代進(jìn)行抗性鑒定，結(jié)果表明，均達(dá)到中抗水平。王飛等[22]通過(guò)將Pigm基因與高感品種進(jìn)行連續(xù)回交，獲得了新的株系，提高了該品種的稻瘟病抗性。裘燁[23]將供體Tetep、地谷B進(jìn)行改良，應(yīng)用MAS技術(shù)，篩選出6個(gè)恢復(fù)系。王軍等[24]將“武運(yùn)粳8號(hào)”與“鎮(zhèn)稻42”作為親本進(jìn)行田間試驗(yàn)，“武運(yùn)粳8號(hào)”僅含有Pita與Pib基因，經(jīng)MAS技術(shù)選育出新的品系含聚合基因的74121。

6 展望

目前我國(guó)雖在抗性基因、克隆等方面都取得了很大的進(jìn)步，但水稻之間的部分分子機(jī)理仍有許多不明確的方面。隨著現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展，水稻的全基因組序列的發(fā)布，水稻育種研究逐漸淘汰傳統(tǒng)育種技術(shù)開(kāi)始步入了基因組學(xué)以及后基因組學(xué)的時(shí)代。在未來(lái)，將有更多有關(guān)于水稻稻瘟病相關(guān)的基因可以被進(jìn)一步分析，將先進(jìn)階段未能完成的工作進(jìn)行進(jìn)一步研究。通過(guò)分子標(biāo)記輔助育種，培育具有更持久抗稻瘟病的品種應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)。