棉花品種資源黃萎病田間抗性鑒定和評價

曹 陽，嚴玉萍，朱 波，周小鳳，呂 博，房 健，張 燕，方 瑞，馮振秀

(1.新疆生產建設兵團 第五師農業(yè)科學研究所，新疆雙河 833400；2.新疆農墾科學院 棉花研究所，新疆石河子 832000；3.湖北省農業(yè)科學院 經(jīng)濟作物研究所/農業(yè)部長江中游棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，武漢 430074；4.新疆雙河水控農業(yè)發(fā)展集團有限公司，新疆雙河 833400)

隨著產業(yè)優(yōu)勢的轉移、種植技術和紡織技術的集成創(chuàng)新，棉花產業(yè)和市場對新疆棉花品種的主要性狀要求越來越高[1]。棉花黃萎病(Verticilliumwilt)是由大麗輪枝菌(Verticilliumdahliae)引起的土傳維管束病害，病葉向上蜷曲，呈掌狀斑駁，夏季暴雨過后有時會出現(xiàn)急性青萎癥狀[2-3]。造成棉花產量損失一般在10%～20%，嚴重時高達60%以上[4]，在棉花育種和生產實踐中發(fā)現(xiàn)，不同品種在相同病情指數(shù)下，產量和品質損失程度不一致[5-6]。棉花生產中仍然缺乏控制黃萎病為害的抗病品種[7]，準確評價品種的抗病性，在棉花品種審定、抗病育種及相關研究中至關重要[8-9]。田間抗性動態(tài)鑒定、穩(wěn)定篩選和準確檢測技術及挖掘新的抗性資源，成為棉花抗黃萎病育種的世界性課題和亟待突破的技術難關。中國棉花科研工作者已聚焦農業(yè)種質資源的收集、利用工作[10]。國內研究人員系統(tǒng)鑒定了多份棉花種質的黃萎病抗性，表明抗源非常缺乏[11]，生產中仍然缺乏能夠控制黃萎病為害的抗病品種[12]。種植面積的擴大、重茬年限的增加以及相互引種等原因[13]，使棉花黃萎病在新疆主要植棉區(qū)大范圍發(fā)生，發(fā)病程度中度及中度以上的病田占48.1%，重病田占24.1%，嚴重威脅新疆棉花的可持續(xù)發(fā)展[14]。中國棉花黃萎病病原菌的易變性和群體結構的復雜性致使資源對黃萎病抗性較差，且抗性喪失較快[15]；30 ℃以上高溫會抑制病菌的生長和孢子的萌發(fā)，但環(huán)境溫度條件適宜時，又加重發(fā)生[16]。黃萎病病菌易受環(huán)境影響產生新的致病類型，土壤中病原菌的逐年累積及強致病力類型菌株增多導致防治難度加大[17]。中國通過表型與基因型精準鑒定應用于育種創(chuàng)新的農業(yè)種質資源不足10%，大多數(shù)資源還沒有開發(fā)利用[18]。

種質資源是基因的載體[19]，通過更加全面的田間綜合性狀鑒定，把資源數(shù)量優(yōu)勢轉換為精準利用優(yōu)勢是一項長期和艱巨的任務。抗病性關系到棉花的生產安全[20]，以新疆為主的西北內陸棉區(qū)選育的多數(shù)品種抗病能力偏弱[21]，抗性上還無法滿足生產中更高、更好的需求。國內對于抗性鑒定和評價的研究較少，加強抗性鑒定研究顯得迫在眉睫[22]，在棉花遺傳育種研究中具有舉足輕重的地位[23-25]。本試驗于2018-2019年，連續(xù)兩年對收集到的396份品種資源展開研究，進行田間抗病能力調查[26]，掌握這批資源的生長發(fā)育特點，為高效利用提供科學基礎[27]，增加抗性資源數(shù)量，提升抗病育種基礎和抗病棉花品種利用價值，減少盲目性。同時，結合工作實踐，提出抗病種質研究中需要完善的工作，為抗病種質資源的高效利用和黃萎病綜合治理提出建議，服務科研與生產需求。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗設計

材料由新疆農墾科學院提供，為農墾科學院近年來保存和收集的育成品種資源，共396份。力求通過較大的群體數(shù)量和地理位置來源，以增加遺傳多樣性。其中西北內陸171份(新疆自育材料169份)，黃河流域127份，長江流域66份，北部特早熟棉區(qū)11份，國外21份。

田間試驗于2018年和2019年連續(xù)兩年在新疆兵團第五師農科所試驗基地進行。試驗采用膜下滴灌，機采棉播種方式，行距配置為66 cm+ 10 cm，平均行距38 cm，平均株距10.0 cm，每小區(qū) 2行，小區(qū)長2.0 m，小區(qū)面積1.52 m2，每排間設40 cm走道，理論株數(shù)26.3萬株/hm2。試驗采取間比法排列，重復兩次。試驗田肥力中等，連作棉花近30 a，栽培管理按本地大田生產常規(guī)措施進行。

1.2 調查項目、方法及數(shù)據(jù)采集

黃萎病圃發(fā)病程度高，發(fā)病均勻，鑒別力強，但病圃數(shù)量有限，只有少數(shù)單位具備；連作多年的自然病田也可作為品種資源抗病性鑒定的依據(jù)，其與病圃中黃萎病的病情消長趨勢相似[28]，在鈴期棉花黃萎病發(fā)病高峰時進行病葉調查是一種常用的評判各品種的抗病水平方法，準確性和可靠性較高。由于鑒定材料眾多，為了控制田間鑒定系統(tǒng)誤差，試驗區(qū)域選擇肥力相當、地勢平坦的地點。黃萎病調查以6月底(蕾期)、8月底(鈴期)兩次進行，為防止因樣本過小造成的誤差，每小區(qū)內植株全部調查，采用5級制進行分級，計算發(fā)病率、病指及相對抗性指數(shù)[29]。

病情指數(shù)(DI)=[∑(級值×相應級值的株數(shù))÷(4×調查總株數(shù))]×100

校正系數(shù)(K)=50÷當年標準品種DI

相對病情指數(shù)(RDI)=K×鑒定品種的病情指數(shù)

田間管理措施規(guī)范一致，數(shù)據(jù)采集時期和采集方法按照《棉花種質資源調查標準和描述規(guī)范》[30]執(zhí)行，數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2016進行，并利用統(tǒng)計函數(shù)分析標準差、變異系數(shù)等。產量以小區(qū)實收計產，皮棉樣品送新疆農墾科學院進行品質測試，包括纖維長度、比強度、馬克隆值等指標。

2 結果與分析

2.1 不同種質黃萎病病指分布分析

根據(jù)科研工作實踐，棉花黃萎病發(fā)生受環(huán)境氣候變化影響控制，年度間病指絕對值差別較大，但病指高低趨勢基本一致。試驗田與病圃相比，發(fā)病程度較輕，但也從一定程度反映出種質間抗黃萎病能力的差異，可以作為抗病強弱參考利用。以‘新陸早8號’作為感病對照，8月底采用相對抗性指數(shù)作為種質黃萎病田間鑒定結果。在兩年田間調查中，雖然為同一批種質、同一鑒定地點，年度間發(fā)病差別很大，2019年發(fā)病程度遠低于2018年。從自然黃萎病田鑒定結果看(表1)，6月底棉花開花前，黃萎病發(fā)生輕，兩年平均，73.2%種質未見發(fā)病，病指0.1～5.0種質占比 24.5%，5.1～10.0占2.0%，10.1～20.0占 0.3%。8月底相對抗性指數(shù)10.0以下的有105份，占總數(shù)的26.5%，10.1～20.0的有108份，占總數(shù)的27.3%%，超過20.0的有183份，占總數(shù)的46.2%。不同程度抗病能力的資源豐富多樣，為進一步選育抗病品種提供了良好的遺傳物質 基礎。

表1 黃萎病病指分布狀況

2.2 不同年度間黃萎病發(fā)病狀況分析

同一試驗田中，相同資源不同年份間黃萎病發(fā)病率和病指差別大(表2)。6月底黃萎病發(fā)生普遍很輕，平均病指0.7，極差16.4，材料之間變幅相對較小，前期鑒定僅可作為抗性參考；8月底發(fā)病高峰平均病指14.9，病指極差高達58.7。具體表現(xiàn)為：2018年前期發(fā)病較晚，前期平均病害略輕于2019年，后期發(fā)病明顯重于2019年，平均病指高8.7。兩年中，6月底發(fā)病最重的材料發(fā)病率已達30%左右；2018年8月底，發(fā)病最重材料全部發(fā)病，2019年，發(fā)病最重材料發(fā)病率近90%，兩年病指最大值均超過50，2018年比2019年發(fā)病最重材料病指高23.5。足以表明，新疆兵團第五師棉田病害嚴重，需組織重點科技項目和科研人員對黃花萎病進行更加深入系統(tǒng)的研究，制定長期治理方案。

表2 黃萎病發(fā)病率及病指變化

2.3 黃萎病變異程度和相關性分析

對鑒定結果的變異程度進行統(tǒng)計分析，供試鑒定資源兩年不同鑒定時間表現(xiàn)為(表3)：發(fā)病率與病指極顯著正相關，相關系數(shù)達到0.93以上；變異系數(shù)反映了數(shù)據(jù)離散程度的絕對值，6月底和8月底發(fā)病率和病指變異系數(shù)很大，尤其以6月差異更明顯，平均值均超過200，表明材料間黃萎病抗性強弱表現(xiàn)不一，可以通過人工定向鑒定和選擇，篩選出抗黃萎病資源用于雜交育種親本材料；兩次田間鑒定發(fā)病率間、病指間也均表現(xiàn)出極顯著正相關，即前期發(fā)病重的，后期發(fā)病也重，表明通過6月發(fā)病情況可以初步判定材料的抗性。

表3 黃萎病變異程度及相關性

2.4 優(yōu)異抗病資源的鑒定篩選

兩年鑒定結果表明(表4)，8月底黃萎病病指≤10、纖維長度超過≥29 mm、斷裂比強度≥29.0 cN/tex、馬克隆值3.5～4.9、皮棉產量≥2 250 kg/hm2的資源36份，可作為今后親本材料用于提高抗病性品種改良，增加遺傳多樣性，培育適應性更廣的品種或突出性狀的中間育種材料。

表4 優(yōu)異抗病資源田間抗病性鑒定

3 討 論

新疆抗黃萎病育種與棉花生產的要求還有較大差距[31]，抗病種質和新品種培育難度很大，如何在新疆長年植棉的現(xiàn)實背景下，實現(xiàn)棉花高產優(yōu)質高效，是科技工作者不懈的目標。在當前技術和生產條件下，探尋控制病害的途徑，以減輕對農業(yè)生產的影響，促進棉花產業(yè)在新疆持續(xù)發(fā)力，鞏固新疆棉花優(yōu)勢地位，使棉花成為產業(yè)興疆、增收致富的源泉。

3.1 抗性鑒定結果受年度間氣候等因素影響，可直接利用的抗性資源數(shù)量有限

通過兩年對不同來源的品種資源黃萎病田間鑒定，受溫濕度等氣候變化因素影響，鑒定材料年度間黃萎病發(fā)生程度差別較大，但同一種質不同年份間發(fā)病輕重趨勢基本一致。苗期少有發(fā)病，現(xiàn)蕾后開始發(fā)生，開花后逐漸加重，至吐絮前的棉花鈴期發(fā)病達到高峰。有些資源雖然抗性好，但存在著長勢弱、結鈴少、過于晚熟等突出缺陷，利用價值有限?？蓪⒏餍誀铋g協(xié)調較好的資源充分挖掘，作為抗病親本快速利用，以驗證其價值，確定可否作為核心抗病親本，不斷復合雜交和定向選育，改良新疆機采棉品種的抗病能力。

3.2 開展專項抗病品種的選育和抗病種質創(chuàng)新

抗黃萎病育種進展緩慢，與抗黃萎病種質資源少有關[32]，需要科技工作者和科研項目管理部門專項組織開展基礎種質的挖掘，通過重點科技項目立項，聯(lián)合開展技術攻關，制定長期治理規(guī)劃方案。黃河流域棉區(qū)科研院所及種業(yè)發(fā)展歷程悠久，科技力量雄厚，匯集了全國70%以上的科研院所及技術人才，已在新疆南北建立了多個育種研發(fā)基地，對新疆氣候條件和病原情況已有充分認識，結合新疆本地科研力量，加速抗病品種和種質創(chuàng)新的開放與共享，推進科技進步。

3.3 通過抗病性聯(lián)合鑒定篩選出有影響力的公認抗源

新疆植棉區(qū)地域遼闊，屬典型的溫帶大陸性氣候，氣候干旱，鹽堿較重，溫度和光照源有別，管理技術和水平不等，各地土壤質地、黃萎病菌致病力也有很大差別，在聯(lián)合抗病鑒定中，不過度追求早熟性及品質，以免因各性狀間的互作和連鎖而喪失抗性，構建抗病的公認核心資源，廣為利用，滿足變化、細分、精準化的市場需要。

3.4 加強對棉花黃萎病菌致病類型及遺傳多樣性研究分析

惠慧等[33]研究表明，落葉型棉花黃萎病菌大麗輪枝菌在新疆各棉區(qū)已廣泛分布，需進一步開展棉花抗性遺傳及分子標記的研究，充分了解抗病基因在不同抗病品種中的分布，多途徑開展抗黃萎病種質創(chuàng)制，經(jīng)人工定向培育和選擇，加快抗病育種進程[34-35]。

3.5 采取有計劃的深翻措施

黃萎病菌在0～20 cm的土壤中成聚集或均勻分布[36]，利用物理空間，使耕作層中多年積累的病菌適度翻到更深層(50 cm)，隔離根系與病原接觸的機會[37]。此項措施已在新疆部分重病區(qū)實施，可有效減輕病害。

3.6 輪作倒茬是有效且科學的

隨著植棉年限增加，病菌累積多，變異廣泛，采用重病區(qū)控制規(guī)模，有計劃適度輪作，調節(jié)微生物菌群，改善單一土壤微生物環(huán)境，明顯減輕病害程度，平衡土壤中養(yǎng)分[38]。從全疆管理政策規(guī)劃層面入手，在當前農產品價格較好的背景下，選擇收益相對較高的作物，對植棉超過30 a的棉田，每年將重病區(qū)20%的面積倒茬一次，提高土壤自身抵御黃萎病能力。

3.7 開發(fā)利用有機肥和生物菌肥

通過施用工廠化有機肥，將生物量大的生物秸桿如玉米等加工成有機肥，為棉田所利用，適當減少化學肥料投入。采用棉稈還田、施用農家肥(肥源很有限)等措施培肥地力，改善微生物群落；另外，多種芽孢桿菌對棉花黃萎病具有拮抗效果，芽孢桿菌耐受能力強、繁殖速度快、分布范圍廣，可作為綠色防控棉花黃萎病的重要生防菌進行研究、開發(fā)，利用生防菌株的競爭作用、拮抗作用和誘導系統(tǒng)抗性等機制[39-40]，經(jīng)滴灌設施隨水滴施，發(fā)揮生物防治效果。