假禾谷鐮孢引起的小麥莖基腐病發(fā)生危害與防控研究進展

李怡文, 李桂香, 黃中喬, 苗建強*,, 劉西莉*,,

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 植物保護學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護學(xué)院，北京 100193)

莖基腐病又被稱作小麥冠腐病 (wheat crown rot)、旱地腳腐病 (dryland foot rot)、鐮刀菌腳腐病(Fusarium foot rot)、旱地根腐病 (dryland root rot)和鐮刀菌根腐病 (Fusarium root rot)，是生產(chǎn)中具有毀滅性的土傳病害之一[1]。該病害近年來在我國河南、河北、山東、陜西、安徽、江蘇等多省均有發(fā)生。隨著種植制度和耕作方式變更，該病害呈逐年快速加重的趨勢，尤其是在小麥-玉米輪作、秸稈還田較多的黃淮麥區(qū)發(fā)生普遍，已成為我國小麥生產(chǎn)中的主要病害之一，對糧食安全生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。病害的發(fā)生不僅導(dǎo)致小麥產(chǎn)量的下降，而且還會產(chǎn)生嚴重的毒素污染問題，使小麥品質(zhì)下降，對人畜健康具有潛在威脅。2022 年中國科協(xié)已將“小麥莖基腐病近年為什么會在我國小麥主產(chǎn)區(qū)暴發(fā)成災(zāi)，如何進行科學(xué)有效地防控?”列入我國十大產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題之一[2]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者從不同方向和領(lǐng)域?qū)υ摬『M行了相關(guān)研究，以期尋找有效的管理策略。本文擬對小麥莖基腐病的發(fā)生和危害現(xiàn)狀、病原菌生物學(xué)特點、致病機制和產(chǎn)毒特征、控制莖基腐病發(fā)生的相關(guān)措施及多種防病減毒方法進行系統(tǒng)概述，以期為科學(xué)防治小麥莖基腐病以及保障糧食和飼料安全提供參考。

1 小麥莖基腐病的危害、病原及發(fā)生原因

1.1 小麥莖基腐病發(fā)生及危害現(xiàn)狀

小麥莖基腐病發(fā)生范圍廣，在世界上多個國家和地區(qū)都有分布，包括澳大利亞昆士蘭和新南威爾士州北部[3-4]、美國俄勒岡州和華盛頓州[5]、新西蘭[6]、智利[7]、阿根廷[8]、伊拉克[9]、土耳其[10]、阿爾及利亞[11]、阿塞拜疆[12]等。小麥莖基腐病的主要癥狀見圖1，表現(xiàn)為小麥莖基部呈褐色 (圖1 A)，可上升至3～5 節(jié)，形成典型的“醬油桿” (圖1 AB)；在發(fā)病節(jié)間產(chǎn)生白色或粉色霉層 (圖1 BC)，莖稈內(nèi)腔布滿菌絲；根部變褐 (圖1 D)，節(jié)間呈褐色壞死，易折斷；小麥灌漿期嚴重發(fā)病株產(chǎn)生失水狀枯死和白穗 (圖1 EF)，造成籽粒干癟，甚至無籽[13-14]。

圖1 小麥莖基腐病癥狀Fig. 1 Fusarium crown rot (FCR) symptoms caused by Fusarium pseudograminearum on wheat

2009 年有相關(guān)學(xué)者報道，澳大利亞北部地區(qū)由假禾谷鐮孢引起的莖基腐病導(dǎo)致谷物減產(chǎn)超10%[15]。2011 年，我國首次在河南省小麥-玉米輪作田中發(fā)現(xiàn)由假禾谷鐮孢引起的小麥莖基腐病[16]。近年來，小麥莖基腐病在我國黃淮麥區(qū)和華東麥區(qū)廣泛蔓延，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量和品質(zhì)下降的同時經(jīng)濟損失也逐年加重。據(jù)統(tǒng)計，河南省2013—2016 年由小麥莖基腐病引起的小麥產(chǎn)量損失已達38.0%～61.3%[14]。2017—2021 年因莖基腐病造成的河南省小麥年均減產(chǎn)3.6 萬噸，最高年份減產(chǎn)4.4 萬噸[17]。2015 年，通過對河北省中南部小麥產(chǎn)區(qū)病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，接近50%的莖基腐病發(fā)生地塊的枯白穗率達1%～10%，病害發(fā)生嚴重地塊出現(xiàn)了成片枯白穗現(xiàn)象[18]。2020 年，山東省小麥莖基腐病的發(fā)生面積已達80 萬公頃[19]。小麥莖基腐病發(fā)生癥狀隱蔽性強，田間多見與小麥根腐病/全蝕病一起發(fā)生，侵染時期較長，發(fā)病高峰通常在灌漿期。該土傳病害防治難度大且危害損失嚴重。目前我國河南、河北、山東和陜西4 省已陸續(xù)將小麥莖基腐病列入二類農(nóng)作物病蟲害目錄進行預(yù)警和防控。

1.2 小麥莖基腐病病原鐮孢菌種群結(jié)構(gòu)

引起小麥莖基腐病的主要病原菌是假禾谷鐮孢Fusarium pseudograminearum，有性態(tài)為Gibberella coronicola[20]，其次為禾谷鐮孢F. graminearum、黃色鐮孢F. culmorum和亞洲鐮孢F. asiaticum[21-22]。這些鐮孢菌可侵染小麥和大麥的莖、莖基部和根部，引起壞死和干腐[23]。Gebremariam等[10]從莖基腐病樣中分離到假禾谷鐮孢F. pseudograminearum和多種鐮孢菌，包括黃色鐮孢F. culmorum、禾谷鐮孢F. graminearum、木賊鐮孢F. equiseti、銳頂鐮孢F. acuminatum、燕麥鐮孢F. avenaceum、尖孢鐮孢F. oxysporum、層出鐮孢F. proliferatum、腐皮鐮孢F. solani、三線鐮孢F. tricinctum、F. brachygibbosum、F. hostae、F. redolens、F. torulosum、F. flocciferum、F. incarnatum和F. reticulatum等。但這些鐮孢菌通常被認為是次級定殖的腐生菌，而不是主要病原菌[24]。值得注意的是，小麥莖基腐病主要由多種鐮孢菌侵染所致，而普通根腐病 (common root rot) 則由單一的病原真菌麥根腐平臍蠕孢Bipolaris sorokiniana(有性態(tài)Cochliobolus sativus) 引起[25]。

不同地區(qū)引起小麥莖基腐病的優(yōu)勢病原菌可能不同。據(jù)報道，澳大利亞東南部小麥莖基腐病優(yōu)勢病原菌是假禾谷鐮孢[26]；對土耳其小麥主產(chǎn)區(qū)2013 年的莖基腐病病樣進行病原菌分離鑒定，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢病原菌是黃色鐮孢，其次為假禾谷鐮孢和禾谷鐮孢[10]；Moya-Elizondo 等[7]對智利南部小麥莖基腐病原菌分離鑒定，發(fā)現(xiàn)燕麥鐮孢、禾谷鐮孢和黃色鐮孢分離比例較高；Zhang 等[27]分離鑒定了來自我國5 個省份 (江蘇、安徽、河南、河北和山東) 的小麥莖基腐病病原菌，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢病原菌為亞洲鐮孢和禾谷鐮孢，而假禾谷鐮孢僅占很小比例；但Zhou 等[28]報道，2013—2016 年間黃淮麥區(qū)冬小麥莖基腐病優(yōu)勢病原菌為是假禾谷鐮孢，其次為禾谷鐮孢，層出鐮孢、木賊鐮孢和F. sinensis；Deng 等[29]對2014—2016 年山東、江蘇兩省小麥莖基腐病原菌進行了分離鑒定，發(fā)現(xiàn)山東省小麥莖基腐病優(yōu)勢病原菌為假禾谷鐮孢，而江蘇省則主要為假禾谷鐮孢和亞洲鐮孢。朱運啟等[30]研究表明，引起陜西省小麥莖基腐病的優(yōu)勢病原菌為假禾谷鐮孢，其次為禾谷鐮孢、三線鐮孢和層出鐮孢。范學(xué)鋒[22]對我國不同麥區(qū)引起小麥莖基腐病的病原菌進行了系統(tǒng)的分離鑒定，發(fā)現(xiàn)西南麥區(qū)優(yōu)勢病原菌為禾谷鐮孢，其次是亞洲鐮孢；長江中下游麥區(qū) (湖北、安徽和江蘇) 優(yōu)勢病原菌為亞洲鐮孢，其次是禾谷鐮孢和假禾谷鐮孢；北方冬麥區(qū) (河南、河北、山東、山西和陜西) 優(yōu)勢病原菌是假禾谷鐮孢；河套春麥區(qū) (內(nèi)蒙古巴彥淖爾和寧夏地區(qū)) 優(yōu)勢病原菌為假禾谷鐮孢和黃色鐮孢。綜合分析發(fā)現(xiàn)，近年來假禾谷鐮孢已逐年上升為我國北方小麥主產(chǎn)區(qū)莖基腐病的優(yōu)勢病原菌。

此外，研究發(fā)現(xiàn)鐮孢菌的種群分布很大程度上受到氣候條件的影響，比如：假禾谷鐮孢在低降水量地區(qū)分布頻率更高[31]，且喜溫暖的環(huán)境[32]；黃色鐮孢喜冷涼，亞洲鐮孢和禾谷鐮孢更喜溫暖濕潤的環(huán)境[32]。盡管假禾谷鐮孢和禾谷鐮孢均能侵染小麥莖基部引起莖基腐病，但假禾谷鐮孢的致病力更強[24,31]。

1.3 假禾谷鐮孢侵染循環(huán)及遺傳多樣性

1.3.1 假禾谷鐮孢的侵染循環(huán) 假禾谷鐮孢以菌絲和孢子 (分生孢子、厚垣孢子和子囊孢子) 形式在植物病殘體上越冬。通常認為菌絲和孢子都可作為初侵染來源，田間厚垣孢子較少見，當環(huán)境條件適宜時，通常在小麥灌漿期可見黑色顆粒的子囊殼[13,33]。

病原菌通常首先侵染小麥胚芽鞘，進入根莖節(jié)間和葉鞘，隨后進入莖表皮組織，通過氣孔穿透組織，移動到下皮層和維管束組織，引發(fā)莖部形成典型的褐變壞死癥狀[34]。假禾谷鐮孢侵染小麥莖基部后，也可以進一步通過髓薄壁組織移動到穗部[35]。早衰的莖桿中病原菌菌絲會不斷增加，侵染木質(zhì)部后轉(zhuǎn)移至韌皮部，影響植物體內(nèi)水分和營養(yǎng)運輸，這也是“白穗”癥狀形成的主要原因[36]。已有報道表明，假禾谷鐮孢不僅可以引起小麥莖基腐病，還可以引起小麥赤霉病 (Fusarium head blight, FHB)，在澳大利亞和我國河北省部分地區(qū)，均已從赤霉病小麥病穗分離獲得了該病原菌[3,37-38]，但目前發(fā)現(xiàn)引起小麥赤霉病的鐮孢菌群體中假禾谷鐮孢所占比例較小。此外，假禾谷鐮孢還可以侵染玉米引起玉米苗腐病[39]，也可侵染大麥、燕麥和苜蓿屬等作物[40]。

1.3.2 假禾谷鐮孢的系統(tǒng)發(fā)育和遺傳多樣性 假禾谷鐮孢是單一的系統(tǒng)發(fā)育種，與禾谷鐮孢具有共同的祖先[41]。Burgess 等[42]將根據(jù)形態(tài)學(xué)和培養(yǎng)條件無法區(qū)分的禾谷鐮孢復(fù)合種Fusarium graminearumSchwabe 命名為Group 1 和Group 2 兩個類群，其中Group 1 的有性生殖為異宗配合，而Group 2 為同宗配合。隨后，Group 1 被命名為假禾谷鐮孢，其有性態(tài)為G. coronicola，交配型為MAT-1 和MAT-2 兩種類型，屬半活體營養(yǎng)型病原菌。其在形態(tài)上與禾谷鐮孢沒有明顯差異，菌落顏色為紅色、暗紅色至紅白色或灰褐色、棕黃色至白色，其邊緣完整或呈波狀。兩者的分生孢子大小存在較小差異，假禾谷鐮孢分生孢子中間位置最寬，而禾谷鐮孢分生孢子最寬處是從頂端起的第1/3 至2/5 處[43]。據(jù)國外早期相關(guān)報道，對不同地區(qū)關(guān)于交配型調(diào)查結(jié)果表明，假禾谷鐮孢群體中有性繁殖并不頻繁。澳大利亞部分地區(qū)假禾谷鐮孢兩種交配型比例失衡，甚至交配型 MAT-1 和MAT-2 接近1 : 9，但也發(fā)現(xiàn)一些地區(qū)交配型比例接近1 : 1[44-45]。在一些小麥莖基腐病發(fā)生嚴重地塊，田間很容易發(fā)現(xiàn)假禾谷鐮孢產(chǎn)生的子囊殼，并且形成大量成熟的子囊孢子[33]。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)假禾谷鐮孢群體間可能存在較高水平的遺傳多樣性。賀小倫等[46]對我國河南和河北省冬小麥區(qū)6 個地理群體小麥莖基腐病的優(yōu)勢病原菌假禾谷鐮孢遺傳多樣性進行分析，發(fā)現(xiàn)河南北部地區(qū)假禾谷鐮孢種群和河南東部地區(qū)種群遺傳距離最近，河南南部地區(qū)假禾谷鐮孢種群和河南東部地區(qū)種群的遺傳距離最遠，并且不同地理群體的假禾谷鐮孢菌株間存在較大的基因流動。Khudhair 等[44]對澳大利亞小麥種植帶16 個地區(qū)的假禾谷鐮孢遺傳多樣性進行了分析，發(fā)現(xiàn)澳大利亞東部地區(qū)和西部地區(qū)的群體相互獨立，新南威爾士州、南澳和西澳的假禾谷鐮孢種群遺傳多樣性也普遍不同。其他一些地區(qū)間的假禾谷鐮孢種群也存在不同遺傳多樣性[47-48]。此外，不同群體間可能存在隨機交配和基因流動[46,48]。多項研究表明，假禾谷鐮孢群體內(nèi)遺傳多樣性水平高于群體間的遺傳多樣性水平[45-46,48]。不同地區(qū)假禾谷鐮孢種群間的遺傳差異也會影響未來不同地區(qū)的小麥莖基腐病防控管理策略的制定。

1.4 小麥莖基腐病發(fā)病條件及成因

相關(guān)學(xué)者分析，我國黃淮麥區(qū)莖基腐病大面積發(fā)生和流行的原因可能與栽培模式、品種抗性、土壤條件、降雨量和秸稈還田導(dǎo)致的土壤中病原菌量的積累等多種因素有關(guān)。小麥莖基腐病在干旱和半干旱地區(qū)發(fā)生較重，與土壤水分條件也密切相關(guān)[49]。溫暖潮濕的條件有利于病原菌的侵染，播種時潮濕、成熟前干旱的條件會加重該病害的發(fā)生[18]。小麥莖基腐病發(fā)生嚴重度與降水量和濕度也密切相關(guān)，苗期水分充足和生長后期水分不足的情況下發(fā)病更嚴重[50]。田間病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤干旱的地塊容易發(fā)生小麥莖基腐病，而且同一田塊中，干旱區(qū)域較不干旱的區(qū)域莖基腐病的發(fā)生更為嚴重[14]。進一步研究證明，干旱脅迫會影響假禾谷鐮孢菌絲量的積累和侵染模式。病原菌初侵染階段在水分充足條件下病害發(fā)生更嚴重，但在莖基腐病發(fā)生中后期，干旱脅迫會增加大麥體內(nèi)病原菌的繁殖、氣孔中菌絲的擴展和再侵染，導(dǎo)致病害癥狀更為嚴重[51]。

目前還不太清楚干旱脅迫為何會增強莖基腐發(fā)病嚴重度，推測假禾谷鐮孢侵染誘導(dǎo)的寄主相關(guān)基因與抗旱性之間可能存在一定關(guān)聯(lián)[52]。多年以來，我國北方地區(qū)以玉米-小麥連年輪作種植模式為主。秸稈還田雖然有利于提高秸稈資源利用率，改善了土壤有機質(zhì)等指標，但同時也為病原菌存活和繁殖提供了適宜條件，導(dǎo)致田間病原菌數(shù)量不斷增加。有研究表明，玉米秸稈還田處理的小麥莖基腐病的病情指數(shù)明顯高于未還田地塊，而連續(xù)的玉米秸稈還田地塊，小麥莖基腐病表現(xiàn)為逐年加重[53]。總之，土壤中病原菌的大量積累，加之主栽品種抗病性差、土壤鹽堿化嚴重和小麥生長后期干旱少雨等條件，會加速小麥莖基腐病的嚴重發(fā)生。

2 假禾谷鐮孢的致病機制

雖然假禾谷鐮孢與禾谷鐮孢親緣關(guān)系較近，但致病機制仍存在差異。假禾谷鐮孢除了產(chǎn)生毒素外，還能產(chǎn)生多種其他具有生物活性的次生代謝產(chǎn)物，包括細胞分裂素類化合物fusatin、多聚乙烯類(PKs)和小非核糖體多肽(NRPs)等，這些物質(zhì)有利于增強病原菌致病力或病害癥狀的發(fā)展[54]。近年來，相關(guān)學(xué)者圍繞假禾谷鐮孢的致病機制也取得了一些進展。例如：非核糖體多肽基因FpNPS9缺失突變體可降低假禾谷鐮孢致病力和脫氧雪腐鐮刀菌烯醇 (DON) 含量[55]。C2H2鋅指轉(zhuǎn)錄因子參與假禾谷鐮孢的生長、產(chǎn)孢和致病性[56-57]。FpCzf7的缺失導(dǎo)致假禾谷鐮孢的菌絲生長、分生孢子產(chǎn)生、致病性和DON 毒素產(chǎn)生均明顯降低[56]；而FpCzf14主要在分生孢子產(chǎn)生中起到關(guān)鍵作用[57]。編碼A 組轉(zhuǎn)錄因子APSES 同源蛋白的FpAPSES1和FpAPSES4對假禾谷鐮孢的菌絲生長、分生孢子產(chǎn)生和致病力均具有重要作用，并且二者都可在假禾谷鐮孢侵染階段高表達，調(diào)控假禾谷鐮孢DON 毒素的合成[58]。螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子FpbHLHs與假禾谷鐮孢致病力密切相關(guān)，F(xiàn)pbHLH9敲除突變體顯著降低假禾谷鐮孢對小麥感病品種的致病力[59]。編碼亮氨酸拉鏈蛋白bZIP 轉(zhuǎn)錄因子Fpkapc定位于假禾谷鐮孢細胞核，參與調(diào)節(jié)碳代謝、細胞周期、離子結(jié)合和運輸、氧化脅迫，以及DON 合成等相關(guān)基因的表達，對假禾谷鐮孢生長發(fā)育和致病性至關(guān)重要。F p k a p c的缺失突變體與野生型假禾谷鐮孢DON 含量基本一致，但會誘導(dǎo)多個TRI相關(guān)基因表達[60]。FpAda1也能調(diào)控假禾谷鐮孢菌絲生長、分生孢子產(chǎn)生、致病性和細胞周期[61]。編碼熱激蛋白的基因Hsp70s與假禾谷鐮孢致病性相關(guān)，其中敲除定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的FpLhs1，可降低假禾谷鐮孢菌絲生長、孢子產(chǎn)生和致病力[62]。FpHsp104在假禾谷鐮孢耐熱性、致病力和生長發(fā)育方面具有重要影響，其敲除突變體對高溫更敏感，且致病力減弱，而DON 含量并不受影響[63]。苯并噁唑酮(benzoxazolinone) 是禾本科植物防御性化合物，與抗病性密切相關(guān)。已有研究表明，假禾谷鐮孢的侵染會誘導(dǎo)小麥體內(nèi)2-苯并噁唑酮 (BOA) 和6-甲氧基-2-苯唑啉酮 (MBOA) 含量顯著增加，并且無論在活體還是離體條件下，BOA 和MBOA 對假禾谷鐮孢均具有良好的抑制作用[64]。但假禾谷鐮孢也進化出相應(yīng)機制降解寄主防御物質(zhì)，其通過苯并噁唑啉酮分解代謝中的關(guān)鍵酶來抵御寄主分泌的防御性化學(xué)物質(zhì)。比如：編碼γ-內(nèi)酰胺酶(γ-lactamase) 的FDB1對BOA 的降解是至關(guān)重要的[65]；編碼N-丙二酰轉(zhuǎn)移酶 (N-malonyltransferase)的FDB2對降解MBOA 和BOA 是必須的[66]。對假禾谷鐮孢致病機制的深入研究有利于為病害防控及鐮孢菌的遺傳分化提供理論依據(jù)。

3 假禾谷鐮孢引起的小麥毒素污染及解毒途徑

3.1 假禾谷鐮孢產(chǎn)毒類型及小麥體內(nèi)毒素分布

國內(nèi)外研究表明，假禾谷鐮孢在侵染小麥的過程中會產(chǎn)生一系列次生代謝物，尤其是單端孢酶烯族類 (trichothecene) 真菌毒素[54]。假禾谷鐮孢產(chǎn)生的毒素類型包括 DON、3-乙?；撗跹└牭毒┐?(3ADON)、15-乙?；撗跹└牭毒┐?(15ADON) 和雪腐鐮刀菌烯醇 (NIV)[6,44-45]。Fan 等[67]和徐飛等[68]在發(fā)生莖基腐病的小麥莖稈中檢測到DON 毒素及其衍生物3ADON 和15ADON、玉米赤霉烯酮 (ZEN)、隱蔽型真菌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇葡萄糖苷 (D3G) 及NIV。DON 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能通過食物鏈傳遞，對人和動物有毒，中毒癥狀主要為惡心、嘔吐、腹瀉和腹痛等，并可致癌、致畸[69]。DON 對于假禾谷鐮孢從植物莖基部向上擴展的過程是必須的，也是假禾谷鐮孢引起莖基腐病的重要致病因子[70]。已有報道表明，假禾谷鐮孢在小麥莖基部的致病力高于穗部，且在莖部產(chǎn)生的DON 含量更多，而禾谷鐮孢在穗部產(chǎn)生的DON 含量遠高于假禾谷鐮孢[71]。在小麥植株中，高濃度DON 會誘導(dǎo)活性氧 (ROS) 的產(chǎn)生，伴有褪綠和壞死癥狀，根系生長也會受抑制[64]。

不同地區(qū)假禾谷鐮孢產(chǎn)生毒素的類型存在差異。Deng 等[29]對2014—2016 年獲得的假禾谷鐮孢毒素化學(xué)型進行鑒定，發(fā)現(xiàn)采集于江蘇省的假禾谷鐮孢主要產(chǎn)生3ADON 化學(xué)型毒素，而山東省則以15ADON 毒素化學(xué)型為主。在澳大利亞東部、西部和南部地區(qū)檢測到的假禾谷鐮孢產(chǎn)毒類型均為3ADON[44]，僅檢測到極少量菌株產(chǎn)生的毒素類型為15ADON[45]。有研究表明，新西蘭的假禾谷鐮孢產(chǎn)毒素類型為DON 和NIV[6]。

假禾谷鐮孢引起小麥莖基腐病會導(dǎo)致小麥莖稈中毒素的積累，毒素主要分布在第3 莖節(jié)以內(nèi)，部分小麥第4～5 莖節(jié)也能檢測到較高水平的毒素，僅有微量的毒素被轉(zhuǎn)移到麥粒中[67]。我國每年有大量小麥秸稈用于飼料生產(chǎn)，發(fā)病嚴重的小麥秸稈用于飼料生產(chǎn)存在一定的毒素污染風(fēng)險，受食物鏈的傳遞對人類和動物健康也具有潛在危害。

3.2 調(diào)控DON 毒素生物合成的生化途徑

已有研究報道了DON 合成的具體過程，受多個編碼單端孢霉烯族毒素合成酶的基因調(diào)控，從法尼焦磷酸 (FPP) 經(jīng)過多個步驟最終合成DON[72-74]。據(jù)報道，DON 也是假禾谷鐮孢產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，而糖酵解途徑是多種次生代謝產(chǎn)物合成途徑的上游途徑，為DON 毒素的生物合成提供原料[75-76]。法尼焦磷酸 (FPP) 是DON 生物合成途徑的前體，通過異戊二烯生物合成途徑由乙酰-CoA 合成。糖酵解途徑生成的丙酮酸通過丙酮酸脫氫酶轉(zhuǎn)化為乙酰-CoA。丙酮酸和乙酰-CoA是DON 合成的主要前提物質(zhì)[77]。其中葡萄糖是糖酵解途徑的初始底物，為丙酮酸的合成提供原料[78]，而丙酮酸對鐮孢菌DON 毒素的生物合成起正調(diào)控作用。己糖激酶是糖酵解途徑的關(guān)鍵酶，調(diào)控丙酮酸的合成，是DON 毒素生物合成的限速酶[77]。糖酵解途徑生成的丙酮酸，繼而經(jīng)歷檸檬酸循環(huán)和氧化磷酸化形成二氧化碳和水。丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴?CoA 是進入三羧酸循環(huán)TCA 循環(huán)的準備階段?？偟膩碚f，DON 毒素的合成會受到上游糖酵解途徑、異戊二烯途徑、TCA 循環(huán)及DON 毒素生物合成等途徑的影響 (圖2)。

圖2 DON 生物合成相關(guān)途徑Fig. 2 Diagram of biochemical pathway involved in DON biosynthesis

D O N 關(guān)鍵生物合成酶定位于毒素小體(toxisomes) 上，毒素小體是由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)衍生而來的，在毒素誘導(dǎo)條件下，TRI1 可以被傳遞到毒素小體。毒素小體的形成對于病原菌自身DON的合成至關(guān)重要。

3.3 植物病害防控中DON 的解毒方式及機制

培育抗病品種是防治小麥莖基腐病的有效手段之一，也是防止谷物毒素污染的根本措施。DON的真菌衍生物主要是3ADON 和15ADON，而植物衍生物主要是DON-3-β-D-葡萄糖苷(D3G)，由葡萄糖偶聯(lián)在DON 的C3 上[79]。植物尿苷二磷酸(UDP) 依賴的糖基轉(zhuǎn)移酶 (UGTs) 糖基化DON 為低毒的D3G，是寄主小麥主要的解毒策略之一[70,80-81]，如He 等[82]在蘇麥3 號中克隆并鑒定了一個赤霉病誘導(dǎo)高表達的新基因TaUGT6，其編碼蛋白可以糖基化DON 為D3G，進而通過降低DON 含量和毒性來提高赤霉病抗性。與此同時，小麥對假禾谷鐮孢的抵御能力不同，植株體內(nèi)的DON 積累量也不同。有研究發(fā)現(xiàn)，檢測接種假禾谷鐮孢的小麥植株內(nèi)代謝物，發(fā)現(xiàn)小麥體內(nèi)DON 被誘導(dǎo)，且抗性較高小麥體內(nèi)菌絲量和DON 含量低于感病品種[64]。

由于目前仍缺乏抗病品種，使用化學(xué)殺菌劑仍是防控鐮孢菌病害的有效方法。不同作用機制殺菌劑對DON 合成影響不同，并且長期大量使用單一殺菌劑導(dǎo)致病原菌抗藥性的發(fā)生，也會改變鐮孢菌產(chǎn)生的DON 含量。有研究表明，一定劑量的化學(xué)殺菌劑可以誘導(dǎo)DON 合成，如苯并咪唑類殺菌劑多菌靈，三唑類殺菌劑氟環(huán)唑、丙環(huán)唑、戊唑醇、苯醚甲環(huán)唑、氟菌唑、三唑酮、烯唑醇、丙硫菌唑和QoI 類殺菌劑嘧菌酯、唑菌胺酯、丁香菌酯、啶氧菌酯、氟嘧菌酯、烯肟菌胺等[83-87]。自20 世紀70 年代苯并咪唑類殺菌劑多菌靈用于控制小麥赤霉病，近年已發(fā)現(xiàn)田間抗藥性菌群增加，并且抗性菌株會增加被侵染谷物中DON毒素含量[88]。多菌靈的使用也能刺激赤霉病病原菌DON 的合成，加重田間谷物毒素污染[89]。然而，氨基丙烯酸類殺菌劑氰烯菌酯能顯著抑制禾谷鐮孢DON 合成[90]，琥珀酸脫氫酶抑制劑 (SDHIs)氟吡菌酰胺、氟酰胺、啶酰菌胺、苯并烯氟菌唑、氟唑菌酰胺可以顯著抑制亞洲鐮孢DON 的合成[91](表1)。

表1 殺菌劑對鐮孢菌毒素合成的影響Table 1 Effect of fungicide on DON biosynthesis of Fusarium spp.

不同殺菌劑調(diào)控DON 合成的機制不同。多菌靈調(diào)控赤霉病菌DON 毒素生物合成的分子機制研究表明，多菌靈與參與TCA 循環(huán)的異檸檬酸脫氫酶 (IDH3) 能夠競爭性結(jié)合β-微管蛋白，降低IDH活性；β-微管蛋白發(fā)生抗藥性的單個氨基酸突變也會降低與IDH3 親和性，導(dǎo)致乙酰輔酶A 積累，從而上調(diào)DON 毒素生物合成[89]。TRI5基因是編碼單端孢霉烯族毒素合成途徑中的第一個關(guān)鍵酶基因[92]，對DON 毒素的生物合成具有重要的調(diào)節(jié)作用。已有研究表明，井岡霉素通過抑制禾谷鐮孢海藻糖酶活性，降低中性海藻糖酶 (FgNTH)與丙酮酸激酶 (FgPK) 的互作，抑制糖酵解代謝水平和乙酰CoA 合成，并且能抑制DON合成中關(guān)鍵調(diào)控基因TRI5的表達，以此抑制禾谷鐮孢DON 的生物合成[75,93]。由于低濃度三唑類殺菌劑能夠激活病菌體內(nèi)高滲透甘油 (HOG) 激酶信號途徑，該途徑上被激活的Hog1 激酶進入細胞核，進而磷酸化轉(zhuǎn)錄因子FgSR，調(diào)控FPP 上游相關(guān)基因的表達，進而增加了DON 合成，因此，低濃度的戊唑醇會刺激DON 的合成[86]。但是，最新研究表明，井崗霉素和戊唑醇可以協(xié)同防治赤霉病菌，主要歸功于FgNTH 可以與CYP51B 互作，F(xiàn)gNTH受井崗霉素的抑制，CYP51A和CYP51B的表達量降低，進而增加了禾谷鐮孢對戊唑醇的敏感性[93]。井崗霉素與葉菌唑協(xié)同使用可提高赤霉病防效并顯著降低田間小麥穗部DON 的產(chǎn)生，但具體機制仍需進一步探究[75,93]。QoIs 殺菌劑能有效防治赤霉病，但是亞致死劑量藥劑處理會增強小麥赤霉病菌DON 毒素合成能力，主要是由于QoIs 能夠上調(diào)能量代謝中的乙酰輔酶A 生物合成，提供更多的次生代謝物生物合成前體，促進了赤霉病菌DON 毒素的生物合成，進而提高了毒素污染水平[87]。QoIs 殺菌劑不僅能夠阻止呼吸鏈的電子傳遞，干擾能量合成，而且還能導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)發(fā)生碎片化，破壞線粒體動態(tài)平衡，使線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)耦合結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而促進了赤霉病菌產(chǎn)毒小體 (內(nèi)質(zhì)網(wǎng)重塑結(jié)構(gòu)) 的形成[87]。SDHIs 殺菌劑可以通過抑制糖酵解途徑和TCA 循環(huán)中關(guān)鍵酶或乙酰CoA 含量等降低亞洲鐮孢DON 含量[91]。同時SDHIs 可以破壞亞洲鐮孢產(chǎn)毒小體的形成，氰烯菌酯也可以抑制禾谷鐮孢產(chǎn)毒小體的形成，但多菌靈會促進禾谷鐮孢產(chǎn)毒小體的形成[90-91]。

4 小麥莖基腐病的綜合防治措施

4.1 農(nóng)業(yè)防治

假禾谷鐮孢能以菌絲體形式在谷物和雜草的殘茬上存活長達3 年之久[94]。針對該病害通常采用的農(nóng)事管理措施包括輪作、間作、清除田間雜草和作物殘茬等[44]。有研究已經(jīng)表明，小麥連作加重莖基腐病的發(fā)生，而幾種豆科作物與小麥輪作可以降低小麥莖基腐病的發(fā)生[19]。實際生產(chǎn)中小麥-西瓜輪作也在一定程度上可降低小麥莖基腐病的發(fā)生。此外，通過提高播種量并適期晚播、去除病殘體、免留茬、旋耕改為深翻等方式也可降低田間病原菌菌量，從而減輕小麥莖基腐病的發(fā)生。同時，做好水肥管理，莖基腐病發(fā)生重的地方冬前和返青期各灌溉一次，避免苗期大水漫灌，并注意在成熟期適當澆水。

4.2 化學(xué)防治

對于假禾谷鐮孢引起的小麥莖基腐病，生產(chǎn)上缺乏抗病品種，目前主要依靠化學(xué)藥劑防治。但由于該病害是近年在在我國部分地區(qū)新暴發(fā)的病害，目前我國尚未有登記用于小麥莖基腐的防治藥劑。已有多位學(xué)者采用種子處理的方式就小麥莖基腐病的防治進行了探索。部分溫室試驗表明，多菌靈對小麥莖基腐病防治效果良好，有效成分劑量3.90 mg/g 種子拌種處理防效可達76.66%[95]。甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑醚菌酯有效成分為0.42 μL/2 g 種子拌種對小麥莖基腐病防治效果可達 50.33%[96]?？祰鴱姷萚97]開展的小麥莖基腐病田間防效試驗結(jié)果表明，25% 氰烯菌酯懸浮劑75 mL拌種 15 kg、3%苯醚甲環(huán)唑懸浮種衣劑 40 mL 拌種15 kg、10%咯菌腈懸浮種衣劑70 mL 拌種15 kg、6%戊唑醇懸浮種衣劑15 mL 拌種15 kg，對小麥莖基腐病防治效果優(yōu)良，防效在76%～92%之間，并且保產(chǎn)效果明顯。先正達公司研發(fā)的新型SDHIs殺菌劑三氟吡啶胺對小麥莖基腐病的防治效果優(yōu)良。每 100 kg 種子用酷拉斯制劑 200 mL 和三氟吡啶胺 300 mL 復(fù)配處理防治小麥莖基腐病效果可達62%～82%[98]。對于以小麥秸稈作為動物飼料的地區(qū)，在使用殺菌劑防治時，應(yīng)優(yōu)先選擇那些對病害防治效果好、且具有降低毒素產(chǎn)生的藥劑，如氰烯菌酯、SDHIs 等；而對于小麥秸稈還田的地區(qū)，藥劑選擇的范圍更寬。

4.3 生物防治

近年來，經(jīng)大量研究篩選獲得了多種具有生防潛力的微生物，既能較好抑制假禾谷鐮孢生長又能有效降低小麥莖基腐病的發(fā)生嚴重度，對實現(xiàn)該病害綠色防控具有重要的意義。用于防治小麥莖基腐病的生防真菌主要包括芽孢桿菌Bacillusspp.和木霉菌Trichodermaspp.。如深綠木霉HB20111 和哈茨木霉TW21990 共培養(yǎng)發(fā)酵液對小麥苗期莖基腐病的防治效果優(yōu)良[99]；哈茨木霉拌種劑處理也能降低小麥根際鐮孢菌屬的相對豐度，并提高了小麥出苗率和產(chǎn)量[100]?？莶菅堪麠U菌YB-05 菌株與申嗪霉素復(fù)配，對假禾谷鐮孢引起的小麥莖基腐病具有較好的防治效果[101]；貝萊斯芽孢桿菌B. velezensisYB-185 可顯著抑制假禾谷鐮孢菌絲生長和分生孢子萌發(fā)，YB-185 種子處理對小麥莖基腐病的室內(nèi)和田間防效可達66.1%和57.6%[102]；解淀粉芽胞桿菌B. amyloliquefaciens菌液拌種處理對小麥莖基腐病的田間防效可高達52.35%，并具有明顯的增產(chǎn)作用[103]。此外，從山茱萸分離獲得的內(nèi)生真菌Talaromyces trachyspermus對假禾谷鐮孢和禾谷鐮孢均具有優(yōu)異的拮抗作用，也是防治小麥莖基腐病的潛在生防菌資源[104]。叢枝菌根真菌 (AMF)Rhizophagus intraradices可以通過競爭假禾谷鐮孢生態(tài)位點、增強抗氧化酶的活性以及降低脂質(zhì)過氧化等多種方式，降低假禾谷鐮孢種群密度，以減緩小麥莖基腐病的發(fā)生并增強寄主抗病性[105]。從小麥根部分離獲得的內(nèi)生放線菌吸水鏈霉菌Streptomyces hygroscopicusNH71 和MH243，基本上可以完全抑制假禾谷鐮孢菌絲生長，且在室內(nèi)條件下證明NH71 和MH243種子包衣后可降低莖基腐病的發(fā)生和減少產(chǎn)量損失[106]。未來生防資源的篩選和有效利用將對小麥莖基腐病的防治具有重要的意義。

5 小結(jié)與展望

近年小麥莖基腐病發(fā)生日趨嚴重，已成為我國小麥生產(chǎn)上的重大問題。抗莖基腐病小麥品種缺失，目前生產(chǎn)中主推的小麥品種大部分對莖基腐病表現(xiàn)為中感或高感，莖基腐病抗性改良極為迫切。鐮孢菌作為半活體營養(yǎng)型病原菌，其腐生能力強，定殖后在土壤或植物病殘體上存活時間長，因此，田間菌源基數(shù)的控制尤為重要?？刹捎蒙罘⒔Y(jié)合生防菌劑處理的方式控制田間病原菌菌源，結(jié)合抗性改良，以及種子藥劑處理的方式進行莖基腐病的長期有效防治。另外，小麥生長后期尤為重要的是注意水分管理，適度澆水，避免因干旱加重莖基腐病的發(fā)生。同時，小麥莖基腐病發(fā)生后植物病殘體上的分生孢子在適宜條件下也可成為赤霉病發(fā)生的侵染源。因此，在小麥莖基腐病防治過程中需要協(xié)同綜合防治小麥根腐病、赤霉病、紋枯病等其他麥類病害。

此外，避免谷物毒素污染問題尤為重要。在實際生產(chǎn)中注意選擇合適的藥劑復(fù)配以達到防病害降毒素的目的；同時，迫切需要開發(fā)防效好、抑菌譜廣且不利于DON 合成的新型殺菌劑，用于小麥莖基腐病的持續(xù)防控。另外，篩選獲得具解毒能力的微生物，將DON 轉(zhuǎn)化為低毒或無毒產(chǎn)物也具有很好的發(fā)展?jié)摿?。?jù)報道，許多真菌如曲霉屬真菌Aspergillus tabens、哈茨木霉Trichoderma harzianum，細菌如芽孢桿菌屬Bacillus.spp.、假單孢菌屬Pseudomonasspp. 和乳桿菌屬Lactobacillus.spp. 等都可以通過釋放胞外酶降解DON毒素[107]。

由于假禾谷鐮孢在田間存在不同交配型，因此需定期監(jiān)測小麥產(chǎn)區(qū)田間假禾谷鐮孢群體的遺傳多樣性，規(guī)避因有性重組而產(chǎn)生具有獨特的致病力或產(chǎn)毒特征新菌株出現(xiàn)的潛在風(fēng)險。2022 年中國科協(xié)將小麥莖基腐的暴發(fā)成因和科學(xué)防控列入我國十大產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題之一，這對推動我國小麥莖基腐病的相關(guān)基礎(chǔ)理論和防控技術(shù)的系統(tǒng)研究具有重要的意義，對實現(xiàn)該病害綠色防控具有重要的作用。

謹以此文慶賀中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)藥學(xué)學(xué)科成立70 周年。

Dedicated to the 70th Anniversary of Pesticide Science in China Agricultural University.

作者簡介：

李怡文，女，2020 年畢業(yè)于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，獲碩士學(xué)位。2020 年9 月至今，于西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護學(xué)院攻讀博士學(xué)位，研究方向為植物病原菌與殺菌劑互作的分子基礎(chǔ)和病害防控技術(shù)。

苗建強，男，副研究員，碩士生導(dǎo)師。2018 年畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病理系，獲博士學(xué)位，其間2016.11—2018.01 在美國俄勒岡州立大學(xué)植物病理學(xué)專業(yè)進行博士聯(lián)合培養(yǎng)。西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護學(xué)院副研究員，主要研究方向為植物病原菌抗藥性分子機制及潛在卵菌抑制劑分子靶標發(fā)掘。榮獲2019 年陜西省科技進步一等獎 (第6 完成人)，2021 年“中化揚農(nóng)農(nóng)業(yè)化學(xué)新秀獎”?，F(xiàn)任中國化學(xué)會農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會青委會副主任、陜西省植物病理學(xué)會監(jiān)事、《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報》青年編委。

劉西莉，女，二級教授，博士生導(dǎo)師。1991 年畢業(yè)于北京農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系并留校工作，先后獲得中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病理系碩士、博士學(xué)位；2005—2006 年在丹麥哥本哈根大學(xué)植物科學(xué)系作學(xué)術(shù)訪問學(xué)者；2007—2017 年為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物病理系教授；2017 年至今，任西北農(nóng)林科技大學(xué)國家人才發(fā)展計劃特聘教授。重點圍繞“植物病原菌與殺菌劑互作的理論與病害控制技術(shù)”進行科學(xué)研究，主要研究方向：1) 卵菌重要基因功能研究及藥物潛在分子靶標發(fā)掘；2) 植物病原菌與殺菌劑互作的分子基礎(chǔ)；3) 植物病原菌抗藥性風(fēng)險評估及抗性治理；4) 主要農(nóng)作物風(fēng)險性種傳、土傳病害診斷和防控技術(shù)。曾先后榮獲國家“科學(xué)技術(shù)進步二等獎” 3 項，發(fā)表科技論文 200 余篇，授權(quán)發(fā)明專利 37 項，牽頭制定了系列“殺菌劑抗性風(fēng)險評估”行業(yè)標準。榮獲國家“萬人計劃”領(lǐng)軍人才、農(nóng)業(yè)部“農(nóng)業(yè)科研杰出人才以及創(chuàng)新團隊”及科技部 “中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等稱號。現(xiàn)任《農(nóng)藥學(xué)學(xué)報》副主編。