芝麻對(duì)莖點(diǎn)枯病及枯萎病抗性的研究進(jìn)展

王素華，張 璐，楊學(xué)樂(lè)，何錄秋

（湖南省作物研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

芝麻（Sesamum indicumL.）又名脂麻、胡麻[1]，隸屬芝麻科芝麻屬，是我國(guó)主要的油料作物之一，其種子含油率高達(dá)55%，并富含維生素、蛋白質(zhì)和脂肪酸，在我國(guó)黃淮流域和長(zhǎng)江流域一帶廣泛種植。芝麻病害的種類很多，但發(fā)生最多、危害最重的是莖點(diǎn)枯病和枯萎病[2]。芝麻莖點(diǎn)枯病常年發(fā)病率10%～20%，重病田塊達(dá)80%以上，一般造成減產(chǎn)10%～15%，嚴(yán)重時(shí)減產(chǎn)80%以上，導(dǎo)致芝麻含油量下降4.2%～12.6%。枯萎病一般發(fā)病率5%～10%，嚴(yán)重時(shí)30%以上，且近年來(lái)危害日趨嚴(yán)重[3]。目前，由于缺乏廣譜抗源而使芝麻抗病育種尚未取得突破性進(jìn)展，而且芝麻產(chǎn)區(qū)重茬種植面積較大，病害發(fā)生普遍，造成芝麻品質(zhì)和產(chǎn)量的下降[4]。

1 芝麻的抗病性鑒定

種植抗病品種是對(duì)抗病害最經(jīng)濟(jì)有效的方法，而對(duì)芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行抗病性鑒定是抗病育種工作的重要環(huán)節(jié)。幾十年來(lái)，我國(guó)科研人員利用莖點(diǎn)枯病和枯萎病抗性資源選育出許多抗病品種，但多數(shù)只抗一種病害，在生產(chǎn)中抗災(zāi)能力弱[5]。馮祥運(yùn)等[6]從225 份資源中只找到1 份具有穩(wěn)定耐漬性、莖點(diǎn)枯病和枯萎病抗性的多抗性資源。

1.1 芝麻莖點(diǎn)枯病的抗性鑒定

芝麻莖點(diǎn)枯病病原菌菜豆殼球孢[Macrophomina phaseolina(Tassi) Goid]是一種非專性寄生的土傳、種傳病原真菌[7]。該菌從芝麻苗期至成熟期均有危害，而后期發(fā)生較重，危害根部、莖部和蒴果，導(dǎo)致植株死亡[8]。

許多專家學(xué)者對(duì)芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行了莖點(diǎn)枯病的抗性鑒定工作，篩選出一些具有明顯抗性的芝麻品種。趙輝等[9]對(duì)129 份國(guó)內(nèi)外芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行莖點(diǎn)枯病抗性鑒定及評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)免疫類型，高抗品種和高感品種所占比例低，感病品種所占比例較大；兩年抗性鑒定表現(xiàn)均在中抗以上的種質(zhì)資源有6份。王建方[2]2011—2012 年對(duì)591 份芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行莖點(diǎn)枯病抗性鑒定，得到高抗品種11 份，中抗品種55 份，抗病資源不足12%。周紅英等[10]對(duì)52 份芝麻種質(zhì)資源的抗性鑒定結(jié)果顯示，沒(méi)有莖點(diǎn)枯病免疫資源，感病種質(zhì)37 份，抗病種質(zhì)15 份，地方種質(zhì)抗性優(yōu)于改良品種（系）。江詩(shī)洋等[11]利用3 個(gè)不同來(lái)源的莖點(diǎn)枯病菌株對(duì)30 份芝麻苗期種質(zhì)材料進(jìn)行接菌試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)全部種質(zhì)對(duì)武漢菌株和南陽(yáng)菌株感??；有10 份種質(zhì)抗性相對(duì)較好，可進(jìn)一步利用。馬昭才等[12]通過(guò)自然發(fā)病，鑒定了100 份芝麻種質(zhì)資源莖點(diǎn)枯病抗性，結(jié)果表明，連續(xù)4 a 重茬地塊平均發(fā)病率70.95%，平均病情指數(shù)55.81，并且品種（系）的發(fā)病率和病情指數(shù)均較農(nóng)家種低；所有材料均有不同程度的感病表現(xiàn)，相對(duì)抗病材料11 份，感病材料79 份。可見(jiàn)芝麻莖點(diǎn)枯病抗病資源非常缺乏，而且研究主要停留在抗性材料篩選上，鮮有報(bào)道能深度解析抗性資源價(jià)值，為品種改良提供有指導(dǎo)意義的育種策略。

1.2 芝麻枯萎病的抗性鑒定

芝麻枯萎病是由尖孢鐮刀菌芝麻?；停‵usarium oxysporumf.sp. sesame）侵染引起的，芝麻在其全生育期均可被侵染[13]。20 世紀(jì)80 年代末我國(guó)率先對(duì)國(guó)內(nèi)外2 040 份芝麻品種資源進(jìn)行了芝麻枯萎病抗性鑒定，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)免疫類型，高抗類型的材料29 份，抗病材料92 份[14]。H. Kavak 和E. Boydak[15]對(duì)來(lái)自土耳其東南部阿納托利亞地區(qū)3 個(gè)不同省份的26 個(gè)芝麻品系進(jìn)行了芝麻枯萎病抗性篩選，獲得1 個(gè)感染率為6.6%的一級(jí)抗病品系Sanliurfa-63189。蘇銀玲[16]以“豫芝11”為對(duì)照，對(duì)169 份芝麻資源及品種進(jìn)行枯萎病抗性鑒定，確定高抗品種16 份，抗病品種31 份，感病品種99 份，高感品種5 份。Badri Jyothi 等[17]從印度不同農(nóng)業(yè)氣候的地區(qū)獲得35 份芝麻種質(zhì)資源，在自然和溫室條件下進(jìn)行篩選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 個(gè)高抗枯萎病的芝麻品種，發(fā)病率在13.1%～15.7%。Z.S. Ngamba等[18]從烏干達(dá)30 個(gè)推廣品種、改良品種、引進(jìn)品種中篩選出2 份中抗品種EM15-1-5 和Sesim2，發(fā)病率分別為37.3%和33.8%?？菸≡谥ヂ槿诰砂l(fā)生，一旦發(fā)病難以防控，種植抗病品種和實(shí)行輪作是預(yù)防枯萎病的有效方法。

2 芝麻抗病相關(guān)蛋白

目前針對(duì)芝麻抗病相關(guān)蛋白的研究較少，但與其他植物一樣，芝麻在與病原菌對(duì)抗的過(guò)程中進(jìn)化出兩套天然的免疫防御系統(tǒng)：病原相關(guān)分子模式激發(fā)的免疫反應(yīng)（PTI）和效應(yīng)蛋白激發(fā)的免疫反應(yīng)（ETI）[19]。PTI 誘導(dǎo)植物產(chǎn)生非特異性的防衛(wèi)反應(yīng)（基礎(chǔ)防衛(wèi)反應(yīng)）；ETI 則由植物的抗病蛋白（R 蛋白）識(shí)別病原微生物產(chǎn)生的效應(yīng)蛋白引發(fā)，可使植物產(chǎn)生特異性的防衛(wèi)反應(yīng)[20]?？茖W(xué)家們對(duì)芝麻的ETI 開(kāi)展了一些研究。

植物自身的免疫防御反應(yīng)是非常錯(cuò)綜復(fù)雜的，在受到病原菌侵害的時(shí)候，植物體內(nèi)的防御反應(yīng)激活并產(chǎn)生防御相關(guān)激素：水楊酸、茉莉酸、乙烯、脫落酸[21]。劉紅彥[5]在豫芝11 幼苗與菜豆殼球孢互作過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)3 個(gè)上調(diào)表達(dá)幅度較大的R 基因，這3 個(gè)基因均具有抗病相關(guān)基因的保守結(jié)構(gòu)域，分別為脫落酸受體PYL4 類似蛋白、類甜蛋白和水楊酸結(jié)合蛋白2 類似蛋白。PYL 介導(dǎo)的脫落酸信號(hào)傳導(dǎo)，在植物正常生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫中起重要作用；茉莉酸和傷口均能誘導(dǎo)類甜蛋白的表達(dá)，其具有抗真菌活性；水楊酸結(jié)合蛋白2（SABP2）直接參與調(diào)控植物體內(nèi)水楊酸水平，對(duì)激發(fā)植物系統(tǒng)抗性具有極其關(guān)鍵的作用。

在受到病原菌侵染之后，植物內(nèi)的受體類激酶可以與內(nèi)膜上的模式識(shí)別受體（PRRs）結(jié)合，發(fā)生一系列的磷酸化反應(yīng)，例如活性氧的爆發(fā)[21]。氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）等是植物體內(nèi)重要的防御酶，參與活性氧清除及酚類、木質(zhì)素和植保素等抗病相關(guān)物質(zhì)的合成，能抵御活性氧及氧自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，增強(qiáng)植物對(duì)病害的抵抗能力[22]。劉莉銘[23]測(cè)定了接種芝麻枯萎病植株的POD、CAT、SOD、PPO 的活性，各酶的變化趨勢(shì)與植株的病情指數(shù)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明他們直接參與了抗病反應(yīng)過(guò)程。

3 芝麻抗病基因的挖掘

我國(guó)芝麻抗性育種始于20 世紀(jì)80 年代，育種家們通過(guò)在田間鑒定成株期抗性反應(yīng)，用數(shù)量遺傳學(xué)方法對(duì)芝麻抗病性遺傳進(jìn)行了初步研究[24]。近十年來(lái)，分子標(biāo)記技術(shù)被廣泛用于芝麻抗病相關(guān)研究，目前報(bào)道最多的是標(biāo)記-性狀關(guān)聯(lián)分析、抗病基因同源序列（resistance gene analogs，RGAs）分析、轉(zhuǎn)錄組分析等。

3.1 芝麻莖點(diǎn)枯病抗性基因的挖掘

張艷欣等[3]利用79 對(duì)EST-SSR、SRAP 和AFELP引物對(duì)216 份芝麻核心種質(zhì)進(jìn)行了基因組掃描，并連續(xù)3 a 對(duì)供試群體抗病性進(jìn)行鑒定，在此基礎(chǔ)上利用GLM（Q）和MLM（Q+K）模型通過(guò)關(guān)聯(lián)分析共檢測(cè)到43 個(gè)標(biāo)記，它們與供試群體2～3 a 莖點(diǎn)枯病病情指數(shù)（DI）顯著關(guān)聯(lián)，對(duì)表型變異解釋率在1.82%～9.46%；兩種模型連續(xù)3 a 檢測(cè)到標(biāo)記M7E6-1，利用該標(biāo)記優(yōu)選出10 份對(duì)莖點(diǎn)枯病抗性穩(wěn)定的載體材料。高樹(shù)廣[25]以26 份抗莖點(diǎn)枯病和4 份感莖點(diǎn)枯病芝麻材料為DNA 模板，擴(kuò)增出128 條RGAs序列，經(jīng)分析42 條序列為non-TIR-NBS-LRR 類芝麻RGAs。于沐[26]同樣利用PCR 技術(shù)得到21 個(gè)RGAs基因，BLASTX 分析結(jié)果表明，21 個(gè)RGAs的部分編碼蛋白序列與已知的含有NB-ARC 信號(hào)傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)、NBS-LRR 類型抗病基因的編碼蛋白同源性為35%～52%。Debabrata Dutta 等[27]對(duì)抗感親本及其F6 重組子進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，共鑒定出26 880 個(gè)簡(jiǎn)單重復(fù)序列（SSR）、90 181 個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和25 063 個(gè)插入缺失（InDels）。Nidhi Radadiva 等[28]分析了2 個(gè)芝麻品種GT-10（抗病供體）和RT-373（感病供本）的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，GT-10 在接種24 h 時(shí)差異表達(dá)基因（DEGs）的數(shù)量遠(yuǎn)高于RT-373 接種48 h 時(shí)DEGs的數(shù)量；此外在抗性反應(yīng)的GO 分析中找到3個(gè)特別的注釋：ATP 結(jié)合、核糖核苷酸結(jié)合和核酸結(jié)合。Wenqing Yan 等[29]通過(guò)比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法獲得一組與莖點(diǎn)枯抗性相關(guān)的核心基因，GO 分析表明它們與核糖體相關(guān)過(guò)程、果實(shí)成熟和茉莉酸介導(dǎo)的信號(hào)通路調(diào)控等有關(guān)；差異表達(dá)基因（DEGs）和差異表達(dá)蛋白（DEPs）的共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析表明富亮氨酸重復(fù)受體樣激酶（LRR-RLK）蛋白可能在芝麻莖點(diǎn)枯抗病反應(yīng)中起重要作用。陳燕華[30]借助轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果挑選出兩個(gè)抗芝麻莖點(diǎn)枯病相關(guān)基因SiPYL4、SiTLP，并對(duì)其進(jìn)行功能驗(yàn)證，結(jié)果表明SiPYL4、SiTLP基因在擬南芥抗菜豆殼球孢侵染過(guò)程中起關(guān)鍵作用。

3.2 芝麻枯萎病抗性基因的挖掘

牛姣姣[31]利用GLM-PCA 和MLM-PCA+K 兩種模型對(duì)124 份芝麻的枯萎病抗性開(kāi)展全基因組關(guān)聯(lián)分析，兩種模型同時(shí)檢測(cè)到13 個(gè)與枯萎病病情指數(shù)穩(wěn)定顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記，其中標(biāo)記SNP170、SNP234 和SNP249 可能與枯萎病抗性顯著關(guān)聯(lián)。劉莉銘等[23]通過(guò)定量PCR 分析發(fā)現(xiàn)，在接種后，抗病品種豫芝11中POD基因的表達(dá)量從開(kāi)始就有上調(diào)趨勢(shì)，而感病品種冀9014 在24 h 后才上調(diào)表達(dá)，且前者表達(dá)量高出后者5 倍多。蘇銀玲[16]選用強(qiáng)致病性菌株對(duì)抗感供體材料幼苗進(jìn)行枯萎病菌接種處理，分別取處理0、6、12、24 h 后的植株樣本提取RNA 后進(jìn)行EST 測(cè)序，結(jié)果顯示，抗感表型基因表達(dá)差異較大的單基因有694 條。Yinghui Duan 等[32]利用枯萎病抗性親本豫芝11 及其高感突變體玉芝11 雜交構(gòu)建F2分離群體，并對(duì)從中選擇的高抗和高感株系構(gòu)建的抗感基因池進(jìn)行重測(cè)序，獲得了183 457 個(gè)SNPs 標(biāo)記；抗感基因的關(guān)聯(lián)分析和SNP 指數(shù)確定在第3 染色體1.22 Mb 區(qū)間內(nèi)有227 個(gè)SNPs 與感病突變顯著相關(guān)；進(jìn)一步的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，SiUTC115363基因中2 個(gè)SNPs 被確定為與枯萎病抗性直接相關(guān)；RNA-seq 和實(shí)時(shí)熒光定量PCR 分析表明，在侵染過(guò)程中，SiUTG115363的轉(zhuǎn)錄本被誘導(dǎo)和積累表達(dá)。

4 我國(guó)芝麻抗病育種的發(fā)展方向

世界芝麻主產(chǎn)國(guó)集中在亞洲和非洲，但各主產(chǎn)國(guó)的單產(chǎn)水平較低，中國(guó)是唯一擠身芝麻單產(chǎn)世界排名前十的主產(chǎn)國(guó)。而且我國(guó)芝麻的出口價(jià)格一直高于進(jìn)口價(jià)格30%以上，證明我國(guó)芝麻品質(zhì)要優(yōu)于世界平均水平。近十年來(lái)我國(guó)芝麻產(chǎn)量水平和質(zhì)量水平穩(wěn)步提升，這得益于良種的普及和病蟲(chóng)草害的有效防控。未來(lái)我國(guó)芝麻抗病育種的主要研究方向仍是廣譜抗病資源的篩選與利用，將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為品種優(yōu)勢(shì)，滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。我國(guó)在20 世紀(jì)80 年代就開(kāi)始了芝麻資源的收集、評(píng)價(jià)和保存工作，目前共保存芝麻資源4 251 份，但同時(shí)抗枯萎病、莖點(diǎn)枯病的廣譜抗病資源不足10%[33]，雙高抗資源更是少之又少。芝麻生產(chǎn)上應(yīng)用的新品種來(lái)源單一，遺傳基礎(chǔ)狹窄，需要進(jìn)一步挖掘廣譜抗源以應(yīng)對(duì)病原菌生理小種高速變異的選擇壓力。過(guò)去育種家們通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交、聚合育種等方法選育出豫芝9 號(hào)、中芝11等優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗病品種[34]，現(xiàn)在研究人員利用芝麻全基因組關(guān)聯(lián)分析已開(kāi)發(fā)出大量與抗病基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行選擇；未來(lái)，分子標(biāo)記輔助選擇、基因編輯、體細(xì)胞融合、重離子誘變等技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多地結(jié)合到傳統(tǒng)育種中，極大推進(jìn)芝麻抗病育種的進(jìn)程。