甘薯根腐病研究進(jìn)展

梅玉琴, 雷 劍, 王連軍, 柴沙沙, 靳曉杰, 程賢亮, 楊新筍*, 朱國鵬

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所/湖北省甘薯工程技術(shù)研究中心/糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430064; 2.海南大學(xué) 園藝學(xué)院/海南省熱帶園藝作物品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ?？?570228)

甘薯屬旋花科番薯屬,營養(yǎng)豐富,是世界第7大糧食作物,也可用作飼料、工業(yè)原料和生物質(zhì)能源[1-2]．中國是世界上最大的甘薯種植及生產(chǎn)國,年種植面積穩(wěn)定在4×106hm2左右,占全球總種植面積的57%,產(chǎn)量高達(dá)22 500 kg/hm2[3]．近年來,我國甘薯病蟲害出現(xiàn)加重趨勢,甘薯根腐病尤為突出,在山東、河北、河南、江蘇、安徽、湖南、湖北、陜西等多個省份發(fā)病較重[4]．甘薯感染根腐病后,根莖部會變黑腐爛致使產(chǎn)生的薯塊少而小或不能形成薯塊,導(dǎo)致甘薯塊根產(chǎn)量和品質(zhì)下降．本文從甘薯根腐病病原菌特征、分子鑒定方法、發(fā)病規(guī)律及甘薯響應(yīng)根腐病病原菌侵染機(jī)制和根腐病防治方法等多個方面進(jìn)行綜述．

1 甘薯根腐病病原菌特征、鑒定及發(fā)病規(guī)律

1.1 病原菌特征

甘薯根腐病是由多種鐮孢菌引起的真菌病害,主要病原菌為半知菌亞門的腐皮鐮孢甘薯專化型(Fusariumsolanif.sp.batatasMcClure,簡稱FSB),也叫茄病鐮孢菌[5]．此外,尖孢鐮孢菌(F.oxysporum)[6-7]、腐霉菌(Pythiumultimum)[8]、爪哇鐮孢(F.javanicumKoord)[9-10]等也能引起甘薯根腐?。【L溫度為21～29 ℃,最適溫度27 ℃左右．這些病原菌形態(tài)相似度高,在田間不易區(qū)分,需要結(jié)合其形態(tài)學(xué)和生物學(xué)特征進(jìn)行比較(表1)．

表1 甘薯根腐病病原菌特征比較Tab.1 Comparison of pathogen characteristics of sweetpotato root rot

1.2 病原菌的分子鑒定

病原菌會不斷進(jìn)化產(chǎn)生不同的生理小種,而通過形態(tài)學(xué)和致病性等傳統(tǒng)方法很難鑒定,須借助分子生物學(xué)手段進(jìn)行精準(zhǔn)鑒定．具體步驟為:利用真菌用通用引物ITS1(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)和ITS4(5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)對甘薯根腐病病原菌核糖體DNA模板——rDNA-ITS序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增和測序,所得序列與GenBank中已知的ITS序列進(jìn)行同源性分析[18]．

銀玲等[19]采用分子生物學(xué)和柯赫氏法則驗(yàn)證技術(shù),對引起內(nèi)蒙古甘薯根腐病的病原菌進(jìn)行了分離鑒定,首次報道了引起內(nèi)蒙古甘薯根腐病的致病菌——腐霉菌．李凌燕等[20]利用分子生物學(xué)鑒定方法,對北京市大興區(qū)的甘薯根腐病病原菌進(jìn)行了鑒定,結(jié)果表明,引起大興區(qū)甘薯根腐病的病原菌為尖孢鐮刀菌．Yang等[21]首次報道了甘薯根腐病在韓國發(fā)生,并利用rDNA-ITS序列和翻譯延伸因子(EF1-α)基因序列對7種病樣分離物進(jìn)行分子鑒定,證實(shí)該菌株為茄病鐮刀菌．雷劍等[22]通過分子生物學(xué)檢測手段,對湖北省甘薯主產(chǎn)區(qū)的根腐病病原菌進(jìn)行了鑒定,確定茄病鐮孢菌是引起湖北省甘薯根腐病的主要病原菌．

1.3 發(fā)病規(guī)律

甘薯根腐病為土傳病害[23],主要通過土壤傳播,田間擴(kuò)展依賴于水流和耕作活動．殘留在田間的病體也是根腐病的主要感染源．一般沙土地保肥保水差,植株生長衰弱發(fā)病較重;黏性、肥沃土壤發(fā)病輕;輪作病輕,連作病重[24-25]．

苗期,甘薯感病后,出苗率低、出苗晚,根部頂端或中部會出現(xiàn)暗褐色斑點(diǎn),嚴(yán)重的不斷腐爛,導(dǎo)致地上部的植株株型矮小,生長緩慢,葉片逐漸變黃,直至幼苗死亡[26]．

田間階段,甘薯植株感病后根尖發(fā)黑,向根莖擴(kuò)散,形成暗褐色斑點(diǎn),根莖表皮縱裂,皮下組織發(fā)黑.輕者,地下莖能在靠近地面的地方長出新根,雖能長出薯塊,但塊莖小[27-28];重者,地下根莖變黑腐爛,地上部分枝少,節(jié)間短,植株呈直立生長,葉片小而硬,自下而上逐漸變黃、干枯脫落,甚至全株枯死[29]．

感病薯塊表皮粗糙,覆蓋著許多大小不一的暗褐色斑點(diǎn)．發(fā)病初期染病薯塊表皮未破裂,中晚期皮下組織變黑,表皮縱橫龜裂,取染病薯塊煮食,無硬心和異味[30]．

2 甘薯響應(yīng)根腐病病原菌侵染機(jī)制

FSB侵染甘薯后可誘導(dǎo)甘薯內(nèi)源激素脫落酸(ABA)和赤霉素(GA1/3)發(fā)生變化[31]．ABA具有誘導(dǎo)蛋白貯存和淀粉合成的作用,能夠促進(jìn)植物成熟,加快植株開花的速率;GA1/3能夠誘導(dǎo)α淀粉酶的活性,加快淀粉水解,達(dá)到抑制植株花芽分化的效果．部分甘薯品種在感染FSB后,被病原菌誘導(dǎo)合成的激素以及FSB代謝產(chǎn)生的ABA,激發(fā)植株細(xì)胞內(nèi)的非甲瓦龍酸途徑啟動,通過誘導(dǎo)該途徑的5-磷酸脫氧木酮糖合成酶基因(dxs)、5-5-磷酸脫氧木酮糖還原酶基因(dxr)、2-甲基赤鮮糖醇4-胞苷二磷酸激酶基因(cmk)等,合成ABA和GA1/3等多種萜類化合物,促使甘薯植株的葉片、莖尖和根部組織的ABA含量顯著升高.ABA最早在根部出現(xiàn),但莖尖中積累濃度最高,同時，葉片、莖類和根部組織GA1/3含量顯著降低[32],致使染病植株出現(xiàn)現(xiàn)蕾開花、甘薯藤蔓生長速度緩慢、植株生長矮小且直立、發(fā)黃葉片增多等癥狀．

IbSWEET10轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與甘薯對尖孢鐮刀菌的抗性[33]．IbSWEET10編碼一種蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,并在甘薯植株的糖轉(zhuǎn)運(yùn)中起重要作用．甘薯在感染尖孢鐮刀菌后,IbSWEET10的表達(dá)水平顯著上調(diào),含糖量顯著降低．過表達(dá)IbSWEET10降低莖葉中糖含量,從而抑制病原菌的增殖．同時,過表達(dá)IbSWEET10甘薯植株莖具有緊密排列的細(xì)胞結(jié)構(gòu),會阻止尖孢鐮刀菌的入侵和傳播,從而增強(qiáng)甘薯對尖孢鐮刀菌的抗性．

3 甘薯根腐病抗性遺傳及分子標(biāo)記開發(fā)應(yīng)用

甘薯根腐病的抗性遺傳穩(wěn)定,主要以基因加性效應(yīng)控制[34]．分子標(biāo)記已應(yīng)用于甘薯根腐病抗病基因的挖掘,2011年,蘇文瑾等[35]首次采用分離群體混合分析法(bulked segregant analysis,BSA)與AFLP技術(shù)相結(jié)合的方法,定位與甘薯根腐病相關(guān)的分子標(biāo)記,定位到一個與感病基因連鎖的顯性標(biāo)記Eco(45)-Mse(45)．2020年,SSR標(biāo)記首次被用于構(gòu)建了紫甘薯(濟(jì)紫薯1號)的遺傳連鎖圖譜,并首次發(fā)現(xiàn)與甘薯根腐病抗性相關(guān)的QTL[36]．該研究以濟(jì)紫薯1號與龍薯9號雜交的300個單株為材料,利用SSR標(biāo)記構(gòu)建了甘薯遺傳連鎖圖譜,定位到7個與甘薯根腐病抗性相關(guān)的QTL(qRRM_1～qRRM_5,qRRF_1、qRRF_2)．

4 甘薯根腐病的防治措施

4.1 化學(xué)防治

生產(chǎn)上主要在甘薯根腐病發(fā)病初期使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的甲基硫菌靈WP 800～1 000倍液,或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的多菌靈WP 500倍液,或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.5%的喹啉銅(必綠二號)SC 1 500～2 000倍液噴霧[37]．

試驗(yàn)條件下,咪鮮胺錳鹽[7]、辣根素、寡雄腐霉藥劑[38]、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的棉隆微粒劑[39]對甘薯根腐病都具有一定的抑制作用,可以在一定程度上防治甘薯根腐?。€有研究發(fā)現(xiàn),連續(xù)使用氯化苦對土壤進(jìn)行消毒可以解決甘薯生產(chǎn)中根腐病連作障礙[40-41]．

4.2 生物防治

踐行綠色發(fā)展理念,生物防治不失為一種更安全、有效的選項(xiàng)．枯草芽孢桿菌[7]、叢枝泡囊菌根菌[42]、恩益碧 (NEB,含叢枝泡囊菌根菌)等生物抑菌劑均可起到控制甘薯根腐病病情的作用．

甘薯根腐病菌對四霉素高度敏感[39],四霉素具有較高的防治潛力．趙永強(qiáng)等[43]采用生長速率法測定了6種生物源殺菌劑對甘薯根腐病菌的室內(nèi)抑菌毒力,結(jié)果表明,中生菌素、四霉素和乙蒜素3種藥劑對甘薯根腐病菌菌絲生長的抑制作用顯著,在甘薯根腐病防治中具有較高的潛力．岳瑾等[44]采用生長速率法測定了4種殺菌劑對甘薯根腐病菌的室內(nèi)防效,并進(jìn)行了田間應(yīng)用效果評價及施藥方法的研究,結(jié)果表明,各濃度四霉素、100 μg/mL井岡霉素的室內(nèi)與田間防效及增產(chǎn)效果均較好．

此外,微生物防治也在不斷地發(fā)展和應(yīng)用．Opiyo等[45]發(fā)現(xiàn),從華蟾皮中分離出的7種α乙酰基環(huán)孢素內(nèi)酯和13個已知的Drimane型倍半萜類化合物對侵染甘薯的茄病鐮刀菌有抑制作用．王翠娟等[46]研究發(fā)現(xiàn),解淀粉芽孢桿菌YTB1407懸浮液預(yù)處理后,產(chǎn)生了一些抗真菌代謝產(chǎn)物,并能提高甘薯對根腐病菌的抗性．Logeshwarn等[47]以甘薯根腐病原菌尖孢鐮刀菌為材料,在體外條件下對重氮營養(yǎng)棉的生防潛力進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)重氮菌產(chǎn)生了一種可以抑制尖孢鐮刀菌生長的抗生素Pyoluteorin．以上均可以為生物防治甘薯根腐病提供參考．

4.3 農(nóng)業(yè)防治

1)選育抗性品種.選育、種植抗根腐病甘薯品種是最經(jīng)濟(jì)有效的措施[48-49]．目前,我國已育成徐薯18、阜210、徐薯24、煙薯3號、濟(jì)薯10號、鄭紅4號等抗甘薯根腐病品種[50-51],可因地制宜地選用．

2)加強(qiáng)栽培、貯藏管理.隨著種植年限的增加,品種抗性降低,實(shí)行輪作倒茬可防治病原菌的繁殖.栽種薯塊前大田深耕[52],增施無菌肥[53],如鉀肥(質(zhì)量濃度不能超過2 mg/L)[54];建立無病留種田[55];嚴(yán)格把控貯藏條件:均可一定程度預(yù)防甘薯根腐病.有研究發(fā)現(xiàn),貯藏溫度、相對濕度和初始接種量均會影響茄病鐮刀菌和增殖鐮刀菌引起的甘薯根腐病的進(jìn)程[56],兩種病原菌在較低的溫度、相對濕度及初始接種量下,鐮刀菌根腐病發(fā)病率均顯著降低．

5 展望

甘薯是我國第4大糧食作物,在國家糧食安全、能源安全、生態(tài)安全、健康安全和農(nóng)民增收等方面起著重要作用．近年來,我國北方薯區(qū)和長江中下游薯區(qū)相繼爆發(fā)了甘薯根腐病,并造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失．然而，對甘薯根腐病的研究目前多集中在病原菌分離鑒定、抗病品種篩選和防治方法等方面,對于根腐病病原菌與甘薯互作機(jī)制以及甘薯抗根腐病機(jī)制的研究緩慢,應(yīng)當(dāng)加快抗根腐病甘薯品種的選育．具體措施如下：

1)建立抗病鑒定分子生物學(xué)方法.充分利用甘薯種質(zhì)資源,加強(qiáng)ISSR、SSR和SNP等分子標(biāo)記開發(fā),篩選抗病緊密連鎖標(biāo)記,用于甘薯根腐病抗性分子鑒定以及品種選育.

2)抗病品種選育.充分利用甘薯野生種與栽培種的種間雜交,選育抗根腐病品種.

3)根腐病病原菌與甘薯互作機(jī)制研究.運(yùn)用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)以及分子生物學(xué)方法闡明互作機(jī)理.

4)抗病基因挖掘.利用代謝組、蛋白組、轉(zhuǎn)錄組等多組學(xué)方法挖掘甘薯抗根腐病相關(guān)基因,用于遺傳改良．

以上工作需盡快完成,這將為防治甘薯根腐病提供參考.