玉米抗鐮孢菌侵染研究進(jìn)展

摘 要 玉米是重要的糧食、飼料和能源三用作物，然而其整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中極易受到多種病原菌的侵染，其中由鐮孢菌侵染引起的莖腐病、穗粒腐病、鞘腐病、根腐病等是重要的玉米病害。為了更好地了解鐮孢菌引起的玉米病害，做好相關(guān)病害的防治及抗病品種選育工作，從病原菌種類、發(fā)病表型特征、病害發(fā)生條件、病菌侵染過(guò)程、抗性遺傳、抗病基因挖掘及抗性資源鑒定等方面對(duì)相關(guān)病害進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞 玉米；鐮孢菌；抗性遺傳；種質(zhì)資源

中圖分類號(hào)：S435.131 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.04.074

玉米是我國(guó)重要的糧食作物、飼料作物和能源作物，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。然而，病害是制約玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要因素之一。據(jù)報(bào)道，莖腐病已經(jīng)成為我國(guó)玉米生長(zhǎng)過(guò)程中的重要病害之一，在一般田塊發(fā)病率為5%～10%，較重時(shí)發(fā)病率為20%～30%，一些感病品種的發(fā)病率甚至在40%～100%。近年來(lái)，玉米頂腐病在河南省各種植區(qū)均有不同程度的發(fā)生，一般地區(qū)田間發(fā)病率在3%～18%，嚴(yán)重田塊發(fā)病率在60%以上，可造成8%～30%的產(chǎn)量損失，甚至絕產(chǎn)。玉米穗粒腐病發(fā)生范圍廣、危害嚴(yán)重、難以治理，在一般年份發(fā)病率在10%～20%，流行年份在40%～50%，田間可減產(chǎn)30%～40%[1-2]。

鐮孢菌，又稱鐮刀菌（Fusarium），是土壤中廣泛存在的微生物之一。玉米是鐮孢菌重要的寄主之一，有研究表明，玉米穗粒腐病、根腐病、鞘腐病等病害均與鐮孢菌有關(guān)。鐮孢菌侵染不但破環(huán)植物的組織結(jié)構(gòu)，而且可在植株上產(chǎn)生大量毒素，嚴(yán)重危害人和牲畜的安全。鐮孢菌屬于半活體或死體營(yíng)養(yǎng)型寄生菌，它們往往侵染生長(zhǎng)較弱的組織器官，引發(fā)植物多種病害。鐮孢菌對(duì)濕度的適應(yīng)能力很強(qiáng)，一般在

25～30 ℃時(shí)侵染能力最強(qiáng)、發(fā)病速度最快[3]。鐮孢菌侵染后，植株發(fā)病表現(xiàn)比較一致：病害部位變軟、腐爛，濕度較大時(shí)在侵染部位表面上呈現(xiàn)白色或粉紅色的霉?fàn)钗铮袝r(shí)也會(huì)產(chǎn)生黑色的菌核。鐮孢菌侵染不僅導(dǎo)致玉米產(chǎn)量損失還嚴(yán)重降低玉米品質(zhì)，對(duì)我國(guó)的糧食安全造成嚴(yán)重影響[4]。因此，了解鐮孢菌侵染引發(fā)的各種病害的發(fā)生及分布規(guī)律，解析其抗性遺傳基礎(chǔ)對(duì)開(kāi)展抗病育種和保障國(guó)家糧食安全有重要意義。

1 病原菌種類及病害癥狀

由鐮孢菌侵染引起的玉米病害有很多，如莖腐病、穗粒腐病、根腐病、鞘腐病及頂腐病等。

1.1 莖腐病

莖腐病又稱為青枯病，其病原菌主要分為細(xì)菌性病原菌與真菌性病原菌。其中，真菌性病原菌主要是禾谷鐮孢菌、擬輪枝鐮孢菌、層出鐮孢菌等。真菌性病原菌侵染后，玉米新葉褪綠，老葉失綠下垂，植株生長(zhǎng)緩慢，后期表現(xiàn)為下部葉片黃化，整個(gè)植株的葉片、莖枯萎，維管束變褐干枯，甚至整株枯萎死亡[4]。

1.2 穗粒腐病

穗粒腐病的主要病原菌是禾谷鐮孢菌、串珠鐮孢菌、擬輪枝鐮孢菌等。玉米穗粒腐病田間癥狀主要表現(xiàn)為果穗、籽粒及穗軸腐爛，且腐爛處可見(jiàn)灰白色或粉色霉層，當(dāng)病害較為嚴(yán)重時(shí)，菌絲能穿透穗部苞葉，苞葉腐爛黏于穗部，難以剝離[5]。

1.3 鞘腐病

鞘腐病的主要致病菌為木賊鐮孢菌、層出鐮孢菌等。該病害主要發(fā)生在籽粒形成期至灌漿期，主要侵染部位為葉鞘，但不侵染葉片和莖稈。隨著時(shí)間的推移，發(fā)病初期形成的水漬狀不規(guī)則黑褐色小點(diǎn)逐漸擴(kuò)展至直徑5 cm以上；多個(gè)病斑匯合形成黑褐色不規(guī)則斑塊，蔓延至整個(gè)葉鞘，導(dǎo)致葉鞘干腐[6]。

1.4 根腐病

根腐病是玉米苗期重要病害之一，禾谷鐮孢菌、擬輪枝鐮孢菌是導(dǎo)致該病的主要病原菌。病原菌從根莖部或根部的傷口侵入植株，發(fā)病初期根部產(chǎn)生水漬狀壞死病斑；隨著病害的發(fā)展，地上部生長(zhǎng)不良，葉片由下向上焦枯，最終整株枯死[7]。

1.5 頂腐病

頂腐病最早在甘蔗和高粱上被發(fā)現(xiàn)，1929年在美國(guó)玉米上首次出現(xiàn)了類似癥狀。頂腐病分為鐮孢菌頂腐病和細(xì)菌性頂腐病兩種，其中鐮孢菌頂腐病的病原菌為串珠鐮孢霉亞粘團(tuán)變種。玉米頂腐病田間癥狀主要表現(xiàn)為葉片邊緣出現(xiàn)刀切狀缺刻、葉片失綠、心葉扭曲呈長(zhǎng)鞭狀，該病在玉米的苗期至抽雄期均可發(fā)病，一般大田條件下11片葉時(shí)發(fā)病最為嚴(yán)重，發(fā)病后會(huì)直接影響產(chǎn)量[8]。

2 病害發(fā)生的環(huán)境條件及侵染過(guò)程

不同鐮孢菌病害的傳播方式大致相同，多數(shù)鐮孢菌病原體是以菌絲、分生孢子的形式在田間植株殘?bào)w上及土壤中越冬，主要通過(guò)土壤傳播，也可通過(guò)蟲害、雨水進(jìn)行侵染。田間的溫度和濕度對(duì)病害的發(fā)生具有重要影響，如莖腐病、鞘腐病易在高溫高濕的環(huán)境下發(fā)生，頂腐病喜低溫高濕環(huán)境，穗粒腐病喜低溫低濕環(huán)境，苗期根腐病喜干旱高溫環(huán)境[9-11]。

2.1 莖腐病

莖腐病的致病菌在玉米生長(zhǎng)前期主要侵染胚和根，在灌漿期后會(huì)逐漸擴(kuò)展到基部二、三節(jié)間，直至乳熟期表現(xiàn)出明顯的病癥。陳捷等將莖腐病的侵染分成4個(gè)階段，即發(fā)病前期（Ⅰ）、根系顯癥期（Ⅱ）、病害快速上升期（Ⅲ）、植株地上部顯癥期（Ⅳ），并且病菌的入侵、潛伏與發(fā)病是相互交錯(cuò)的[12]。張鳳麗研究指出，致病菌在侵染植株的過(guò)程中，首先利用自身產(chǎn)生的具有毒害作用的細(xì)胞壁降解酶破壞寄主細(xì)胞，隨后利用細(xì)胞壁分解后的碎屑和微纖絲繁殖大量孢子阻塞維管束孔膜，最終導(dǎo)致植株失水萎蔫死亡[13]。

2.2 穗粒腐病

穗粒腐病病原菌的侵染方式主要有3種：1）由根部開(kāi)始侵染，菌絲通過(guò)維管束由莖部到達(dá)穗部；2）首先感染花絲，再經(jīng)花絲病原菌進(jìn)入穗部導(dǎo)致整穗發(fā)病；3）入侵有害蟲及其他因素導(dǎo)致的外界損傷的部位，使玉米穗部及籽粒感染病害[14]。

2.3 鞘腐病

鞘腐病發(fā)病初期，病斑主要在下部葉片的葉鞘上，隨后逐漸往中上部葉鞘蔓延，造成葉片發(fā)黃、干枯，影響玉米灌漿；一旦蔓延至苞葉部位，有可能引起穗腐，造成很大的產(chǎn)量損失。翟暉發(fā)現(xiàn)，病原菌導(dǎo)致鞘腐病的致病性與細(xì)胞壁降解酶的活性呈正相關(guān)，鞘腐病病原菌在侵染植株時(shí)使得細(xì)胞壁降解，使植株失去抵抗侵染的屏障，最終葉鞘表現(xiàn)出不同程度的腐爛[15]。

2.4 根腐病

根腐病的病原菌一般主要侵染玉米的根部，幼嫩的根部組織首先表現(xiàn)出褐色腐爛，隨后與籽粒連接的中胚軸部分開(kāi)始腐爛，最終植株表現(xiàn)出發(fā)黃、枯死[11]。但有些鐮孢菌不止侵染根部，如尖孢鐮孢菌還會(huì)通過(guò)植株根部到達(dá)維管束，從而導(dǎo)致植株萎蔫死亡。

2.5 頂腐病

關(guān)于玉米頂腐病的研究較少，病原菌在田間主要侵染幼嫩葉片組織，病原菌會(huì)產(chǎn)生大量毒素，毒素破壞寄主細(xì)胞，從死體中吸取營(yíng)養(yǎng)后向其他組織處蔓延，造成葉片、雄穗腐爛[8]。

3 玉米抗鐮孢菌病害的遺傳分析

玉米對(duì)鐮孢菌引起的各種病害的抗性是典型的數(shù)量性狀，受多個(gè)微效位點(diǎn)的共同調(diào)控。目前，多個(gè)研究組對(duì)相關(guān)病害抗病位點(diǎn)展開(kāi)了遺傳研究工作，但主要集中于玉米莖腐病和穗粒腐病，而玉米鞘腐病、根腐病、頂腐病的相關(guān)研究卻十分缺乏。

3.1 抗性QTL鑒定

利用不同的方法，研究人員在玉米的10條染色體上均檢測(cè)到抗莖腐病相關(guān)數(shù)量性狀位點(diǎn)（Quantitative Trait Locus， QTL）。Chen等基于感病材料18327和抗病材料S7236構(gòu)建了F2和BC1F1群體，并利用病情分級(jí)法，在8號(hào)染色體定位到一個(gè)主效抗病QTL位點(diǎn)qRgsr8.1[16]。利用發(fā)病面積計(jì)算法，Pè等構(gòu)建了包含150個(gè)F2：3家系的作圖群體，結(jié)合95個(gè)RFLP和10個(gè)RAPD標(biāo)記進(jìn)行全基因組QTL掃描，共定位到5個(gè)相關(guān)QTLs，分別位于1、3、4、5、10號(hào)染色體上[17]。玉米穗粒腐病的抗性QTL主要集中于2、3、4、5、6號(hào)染色體上。采用病情分級(jí)的方法，Ding等利用87-1和綜3構(gòu)建的187個(gè)重組自交系群體，使用人工接菌的方法，對(duì)玉米穗粒腐病開(kāi)展抗病QTL定位，共定位到5個(gè)與玉米穗粒腐病相關(guān)的QTL，分別位于3、5、8、10號(hào)染色體上[18]。鄭德波等將病級(jí)轉(zhuǎn)換成抗病指數(shù)，利用復(fù)合區(qū)間作圖法在2、3、10染色體上共檢測(cè)到3個(gè)相關(guān)QTLs，可解釋4.6%～6.6%的表型變異[19]。

3.2 抗性基因的克隆

玉米抗鐮孢菌的遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，極易受環(huán)境和遺傳背景的影響，因此大多數(shù)研究?jī)H停留在QTL定位水平，相關(guān)位點(diǎn)的基因克隆工作相對(duì)較少。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐明良教授課題組對(duì)位于bin 10.04的主效抗莖腐病位點(diǎn)qRfg1進(jìn)行精細(xì)定位，將定位區(qū)間縮小到170 kb的區(qū)間內(nèi)，并確定了候選基因ZmCCT；該基因啟動(dòng)上的轉(zhuǎn)座子TE1的插入是導(dǎo)致抗病表性差異的主要因素，轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中陽(yáng)性植株的抗病率提高8.2%～37.5%[20]。Ye等將位于1號(hào)染色體的微效QTL-qRfg2定位到2.5 kb的區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間僅有一個(gè)基因——ZmAuxRP1。該基因編碼一個(gè)生長(zhǎng)素調(diào)節(jié)蛋白，參與生長(zhǎng)素IAA與次生防御物質(zhì)苯并噁唑嗪酮（BXs）的動(dòng)態(tài)平衡，該基因高表達(dá)時(shí)，促進(jìn)IAA合成，根部生長(zhǎng)較快，抗病性下降，基因表達(dá)量較低時(shí)，與之相反[21]。

4 種質(zhì)資源的鑒定與篩選

廣泛篩選抗病性種質(zhì)資源對(duì)功能基因的挖掘利用與品種改良有重要意義。就整體而言，在玉米莖腐病、穗粒腐病和鞘腐病上均篩選到一些優(yōu)異自交系和雜交種（見(jiàn)表1），為抗病品種的選育奠定了良好的基礎(chǔ)。

5 展望

鐮孢菌侵染導(dǎo)致的病害發(fā)生是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，與病原菌的侵染能力、外在的環(huán)境條件、植株的生長(zhǎng)發(fā)育有很大的關(guān)系。同一種鐮孢菌侵染不同的部位會(huì)導(dǎo)致不同的病害的發(fā)生，并且菌絲會(huì)在植株體內(nèi)擴(kuò)展侵染其他部位，造成不同的病害。因此，確定不同地區(qū)玉米鐮孢菌病害的優(yōu)勢(shì)菌種，了解其發(fā)病規(guī)律，篩選抗性資源十分必要。目前，針對(duì)鐮孢菌病害發(fā)生的表型已經(jīng)定位出許多相關(guān)QTL，但真正已經(jīng)克隆到的抗病基因只有ZmCCT和ZmAuxRP1，主要原因在于鐮孢菌病害是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)量性狀且玉米鐮孢菌的抗性資源較少，可能是在玉米馴化過(guò)程中丟失了一些重要的抗性位點(diǎn)，因此可以引進(jìn)一些地方品種及熱帶、亞熱帶地區(qū)種質(zhì)資源進(jìn)行創(chuàng)新，挖掘出新的抗性基因?？傊?，抗鐮孢菌侵染的玉米品種的培育離不開(kāi)傳統(tǒng)育種與現(xiàn)代分子技術(shù)，只有將兩者相結(jié)合才能不斷加快抗性育種的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 段燦星，王曉鳴，武小菲，等.玉米種質(zhì)和新品種對(duì)腐霉莖腐病和鐮孢穗腐病的抗性分析[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2015，16（5）：947-954.

[2] 鄭雷，王磊.夏玉米頂腐病偏重發(fā)生原因及對(duì)策分析[J].種業(yè)導(dǎo)刊，2019（6）：25-27.

[3] 陳相永，陳捷胤，肖紅利，等.植物病原真菌寄生性與分泌蛋白組CAZymes的比較分析[J].植物病理學(xué)報(bào)，2014，44（2）：163-172.

[4] 屈佳欣，方香玲.植物病原真菌鐮刀菌孢子形成與萌發(fā)機(jī)理研究進(jìn)展[J].中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2021（8）：106-113.

[5] 程寶生.玉米穗腐病的發(fā)生規(guī)律與防治方法[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2015（8）：32-33.

[6] 胡蘭，徐秀德，姜鈺，等.玉米鞘腐病原菌生物學(xué)特性研究[J].玉米科學(xué)，2008，16（5）：131-134.

[7] 邢安，文景芝，呂國(guó)忠，等.黑龍江省大豆根腐病株上鐮孢菌的分離與鑒定[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（8）：5-9.

[8] 褚炳華.建昌縣玉米頂腐病的發(fā)生與防治[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2020（1）：35.

[9] 劉春來(lái).中國(guó)玉米莖腐病研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2017，33（30）：130-134.

[10] 馬建倉(cāng)，張維俊，楊鵬，等.土壤溫濕度及播種期對(duì)玉米頂腐病發(fā)生的影響[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，2010（4）：18-20.

[11] 李軍，趙雪峰，鄧如正.玉米苗期根腐病的發(fā)生與防治[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2014（7）：123.

[12] 陳捷，宋佐衡.玉米莖腐病侵染規(guī)律的研究[J].植物保護(hù)學(xué)報(bào)，1995（2）：117-122.

[13] 張鳳麗.玉米莖腐病研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)，2016（13）：37-39.

[14] 焦鑄錦.玉米穗腐病致病層出鐮刀菌侵染寄主的細(xì)胞，生化與分子基礎(chǔ)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2015.

[15] 翟暉.玉米鞘腐病病原鑒定與致病機(jī)制研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[16] CHEN Q， SONG J， DU W P，et al. Identification， mapping， and molecular marker development for Rgsr8.1： a new quantitative trait locus conferring resistance to Gibberella stalk rot in maize （Zea mays L.）[J]. Frontiers in Plant Science， 2017（8）：1355.

[17] PèM E， GIANFRANCESCHI L， TARAMINO G， et al. Mapping quantitative trait loci （QTLs） for resistance to Gibberella zeae infection in maize[J]. Molecular amp; General Genetics Mgg，1993，241：11-16.

[18] DING J Q， WANG X M， CHANDER S， et al. QTL mapping of resistance to Fusarium ear rot using a RIL population in maize[J].Molecular Breeding，2008，22（3）：395-403.

[19] 鄭德波，鄒成林，譚華，等.玉米抗穗粒腐病QTL定位研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，46（8）：104-110.

[20] WANG C， YANG Q， WANG W， et al. A transposon-directed epigenetic change in ZmCCT underlies quantitative resistance to Gibberella stalk rot in maize[J].New Phytologist，2017（4）：1503-1515.

[21] YE J， ZHONG T， ZHANG D， et al.The auxin-regulated protein ZmAuxRP1 coordinates the balance between root growth and stalk rot disease resistance in maize[J]. Molecular Plant， 2018，12（3）：360-373.

（責(zé)任編輯：劉寧寧）