高粱大斑病研究進(jìn)展

鄭鄖，姜軍*，王鵬，張坤，伍維蘭，安紅柳，章松柏

1.長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025 2.湖北省農(nóng)林病蟲(chóng)害預(yù)警與調(diào)控工程技術(shù)研究中心 (長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 荊州 434025

高粱是一種遍布世界各地的重要糧食作物。除小麥、水稻、玉米和大麥之外，它是世界上種植面積第五大的谷類(lèi)作物，在105個(gè)國(guó)家有4 000萬(wàn)公頃的種植面積，其中60%分布在非洲，是南非和亞洲國(guó)家超過(guò)5億人的重要主食作物。在過(guò)去十年中，隨著特殊改良品種的產(chǎn)量增加，在烏干達(dá)干旱地區(qū)，高粱成為僅次于玉米的第二大谷物。在發(fā)達(dá)國(guó)家，高粱主要作為飼料作物進(jìn)行耕種[1]。在中國(guó)，南北各省區(qū)高粱均有大量栽培。在高粱種植產(chǎn)地，均易產(chǎn)生高粱大斑病，它是一種重要的真菌病害。筆者對(duì)高粱大斑病的危害、致病菌的生理學(xué)特性、癥狀與傳播、防治對(duì)策以及相關(guān)的高粱大斑病菌真菌病毒進(jìn)行了綜述，以期為今后更深入研究其防治提供參考。

1 高粱大斑病的危害

為了滿(mǎn)足2050年的全球糧食需求，確保糧食安全穩(wěn)定，有必要擴(kuò)大高粱、小麥、水稻、玉米和甘蔗等糧食作物的生產(chǎn)規(guī)模。生物脅迫，尤其是真菌病害成為阻礙之一。高粱大斑病是高粱產(chǎn)區(qū)常見(jiàn)葉部真菌病害，導(dǎo)致高粱產(chǎn)量的巨大損失。調(diào)查結(jié)果表明，在高粱作為最重要的糧食來(lái)源的蘇丹，選取45片高梁種植區(qū)進(jìn)行觀察，高粱大斑病發(fā)病率為65%～100%，嚴(yán)重程度為45%～85%。而高粱大斑病害嚴(yán)重程度每增加10%，產(chǎn)量就會(huì)下降2%～8%[2]。如果感染發(fā)生在圓錐花序萌發(fā)之前，可能導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達(dá)50%。在濕度高、溫度適中的地方，高粱大斑病的危害最大[3]。在我國(guó)高粱產(chǎn)區(qū)，大斑病通常是多雨季節(jié)高粱病害的主要原因。

2 高粱大斑病菌的生物學(xué)特性

高粱大斑病是由高粱大斑病菌所引起的真菌性病害。病原菌的有性態(tài)為大斑剛毛座腔菌(Setosphaeriaturcica(Luttr.)Leonard &Suggs)，屬子囊菌門(mén)真菌；自然條件下一般不產(chǎn)生有性世代。子囊孢子成熟后紡綞形，大小約60 μm×15 μm，呈褐色，多為3個(gè)隔膜，隔膜處有皺縮。病原菌的無(wú)性態(tài)為大斑凸臍蠕孢菌(Exserohilumturcicum(Pass.)LeonardetSuggs)，異名HelminthosporiumturcicumPass.；分生孢子梭形，呈褐色，有2～7個(gè)隔膜，大小約80 μm×20 μm，臍點(diǎn)明顯，突出于基細(xì)胞外部(見(jiàn)圖1)[4]。

圖1 光學(xué)顯微鏡下高粱大斑病菌分生孢子形態(tài)Fig.1 Spore morphology of Setosphaeria turcicaat high magnification

大斑凸臍蠕孢菌存在顯著的生理專(zhuān)化現(xiàn)象，根據(jù)其在寄主植物上的致病力差異，可以劃分為高粱專(zhuān)化型和玉米專(zhuān)化型。即高粱大斑病菌與玉米大斑病病菌是同一個(gè)種的2個(gè)不同生理專(zhuān)化型[5]，高粱專(zhuān)化型可侵染高梁、蘇丹草和約翰遜草，玉米專(zhuān)化型侵染玉米。遺傳學(xué)研究表明，大斑真菌在墨西哥與玉米共同進(jìn)化，后來(lái)出現(xiàn)到高粱上。高粱專(zhuān)化型的單一基因座為sorA+，玉米專(zhuān)化型的單一基因座為zeaA+[6]。一項(xiàng)對(duì)南非的大斑病菌種群的研究發(fā)現(xiàn)，高粱與玉米兩種專(zhuān)化型分離物之間存在遺傳分離，表現(xiàn)為缺乏共同的多焦點(diǎn)單倍型和高比例的私有等位基因[7]。同時(shí)感染玉米和高粱的異質(zhì)體在自然界被發(fā)現(xiàn)，但極其罕見(jiàn)[8]。我國(guó)高粱、玉米產(chǎn)區(qū)均存在高粱專(zhuān)化型和玉米專(zhuān)化型，二者存在嚴(yán)格的致病力差異和遺傳多樣性[9]。

大斑凸臍蠕孢菌作為同一種病原體可以感染2種重要糧食作物并造成嚴(yán)重影響，因此成為研究植物-病原進(jìn)化和研究2種植物間共有抗性機(jī)制的理想病原系統(tǒng)。2021年，LIU等[10]觀察了3種滲透條件(在馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基中添加 0.4 mol/L氯化鈉、0.4 mol/L氯化鉀和0.6 mol/L 山梨醇)下，滲透脅迫對(duì)大斑凸臍蠕孢菌生長(zhǎng)、發(fā)育和致病性的影響。在滲透脅迫下，菌絲的生長(zhǎng)速度降低，泡狀結(jié)構(gòu)和絮狀物的數(shù)量減少，菌絲細(xì)胞壁外的泡狀結(jié)構(gòu)和絮狀分泌物的數(shù)量顯著增加。實(shí)時(shí)熒光定量PCR 結(jié)果顯示，滲透脅迫迅速激活了激活了 HOG-MAPK 通路，上調(diào)了下游基因的表達(dá)。而且這些基因在暴露于滲透脅迫后30 min內(nèi)表達(dá)量最高[10]。此外，在滲透脅迫下，分生孢子的萌發(fā)率和產(chǎn)量明顯高于對(duì)照組。致病性分析證實(shí)，在滲透脅迫下培養(yǎng)的分生孢子的致病性明顯增強(qiáng)。通過(guò)分析滲透脅迫響應(yīng)基因StFPS11，即HOG-MAPK 通路下游的一種水甘油蛋白的敲除突變體，發(fā)現(xiàn)StFPS1參與了附著和穿透，從而影響了大斑凸臍蠕孢菌的穿透能力[10]。

3 高粱大斑病的癥狀與傳播

高粱為禾本科一年生草本植物，直立，莖粗壯，有凹槽，長(zhǎng)度為0.8～5 m。典型的葉片有一個(gè)明顯的中脈，葉鞘包裹著莖。高粱喜溫、喜光，并有一定的耐高溫特性，全生育期適宜溫度20～30 ℃。它的根系是玉米的兩倍，并具有C4光合作用途徑[11]。

高粱各生長(zhǎng)階段均可被高粱大斑病菌侵染。苗期即可發(fā)病。一般葉片上首先出現(xiàn)淡紅色或黃褐色的水漬狀小點(diǎn)，進(jìn)展為小病斑，病斑擴(kuò)大后匯合，沿葉脈呈現(xiàn)出長(zhǎng)梭形或者長(zhǎng)橢圓形，淡褐色至褐色，邊緣有時(shí)呈現(xiàn)出紫紅色，并可見(jiàn)不規(guī)則的輪紋。根據(jù)寄主基因的不同，病變的邊界顏色也不盡相同。如遇潮濕多雨天氣，病斑兩面生成病原菌的分生孢子梗和分生孢子，呈現(xiàn)為黑色的霉?fàn)钗锔采w。病斑一般從植株下部葉片逐漸向上擴(kuò)展，在嚴(yán)重感染的情況下，也會(huì)感染葉鞘，葉片完全枯萎。當(dāng)葉子受損到無(wú)法有效進(jìn)行光合作用的程度時(shí)，高粱就會(huì)利用根部和莖部等區(qū)域儲(chǔ)存的葡萄糖來(lái)補(bǔ)充，根部和莖部從而更容易受到感染，導(dǎo)致根部腐爛[12]。

高粱大斑病菌可以菌絲體、分生孢子或厚垣孢子等方式在土壤或高粱病殘?bào)w上存活。帶菌的植物殘?bào)w是比分生孢子更為重要的侵染源。翌年孢子萌發(fā)進(jìn)行初侵染和再侵染，使病菌不斷擴(kuò)散，炎熱多雨季節(jié)可造成較重危害[13]。另有研究證實(shí)，作為一種雜食性甲蟲(chóng)，Notoxustrinotatus取食植物真菌病原體，可導(dǎo)致玉米大斑病的傳播，攜帶病原體的甲蟲(chóng)數(shù)量的增多可能會(huì)增加玉米大斑病病害的侵染率[14]。高粱大斑病是否也有此傳播途徑，還有待進(jìn)一步研究。

4 高粱大斑病的防治對(duì)策

4.1 選擇抗大斑病的高粱品種

寄主抗性是控制疾病的最有效、最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的方法。雖然寄主抗性在玉米中研究較廣，2000年，已確定了幾個(gè)對(duì)玉米大斑病有效的主要基因Ht1、Ht2、Ht3、HtN和ht4[15]。對(duì)玉米的定量抗性也進(jìn)行了深入研究，其中涉及多個(gè)基因，包括pan1、ZmREM6.3[16]。但有關(guān)高粱的抗性報(bào)道非常有限。通過(guò)研究高粱大斑菌的分布，可幫助種植者選擇具有所需抗性基因的適當(dāng)?shù)碾s交品種，并幫助種子公司在特定區(qū)域內(nèi)的雜交品種中布署抗性基因[17]。

2011年，有研究對(duì)易感性和抗性高粱和玉米基因型進(jìn)行了cDNA-AFLP分析，以確定與抗性相關(guān)序列。在玉米真菌感染后上調(diào)的轉(zhuǎn)錄本中發(fā)現(xiàn)了一個(gè) CC-NB-LRR編碼基因GRMZM2G005347。這個(gè)新的植物抗性基因被命名為St?；蚪M序列比對(duì)顯示，編碼St基因的 CC-NB-LRR位于玉米的2號(hào)染色體上，而編碼St基因的CC-NB-LRR則位于玉米和高粱的第5號(hào)染色體上。高粱的6個(gè)St基因有3對(duì)位于一個(gè)基因座上。當(dāng)通過(guò)病毒誘導(dǎo)基因沉默(VIGS)沉默高粱的St基因時(shí)，抗性明顯減弱，實(shí)時(shí)PCR也證實(shí)了這一觀察結(jié)果[18]。

2020年，ZHANG等[19]首次利用全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)，進(jìn)行了高粱與大斑凸臍蠕孢菌相關(guān)抗性基因的鑒定，通過(guò)在3種環(huán)境中評(píng)估的高粱改良體系，共鑒定出 216 個(gè)重要指標(biāo)，檢測(cè)出 113 個(gè)獨(dú)特的候選基因，其中一些基因在植物防御中具有已知的良性作用。并發(fā)現(xiàn)了高粱與玉米具有重合的與大斑凸臍蠕孢菌抗性相關(guān)的基因片段。在高粱中還發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)很有希望的抗高粱大斑病候選基因，包括與R基因介導(dǎo)的抗性有關(guān)的基因。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)減少這一重要病原體造成的損失至關(guān)重要。

4.2 化學(xué)藥劑防治

在發(fā)病早期或抽穗期噴施農(nóng)藥，并在噴藥期間增加植株的透光和通風(fēng)。2012—2013年，有研究在自然和人工感染大斑凸臍蠕孢菌的情況下，評(píng)估了殺真菌劑對(duì)拉脫維亞地區(qū)玉米產(chǎn)量的影響。在所有的試驗(yàn)中都觀察到殺真菌劑對(duì)控制大斑凸臍蠕孢菌的良好效果。125 g/L氟吡菌酰胺、125 g/L丙硫菌唑、75 g/L環(huán)氧環(huán)唑，75 g/L吡唑醚菌酯處理各組之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)藥效的明顯差異，對(duì)大斑凸臍蠕孢菌引起的高粱大斑病是否亦有效果尚待研究[20]。從紫桿豆中純化的與防御素序列同源的5 443 Da肽，對(duì)大斑凸臍蠕孢菌的菌絲生長(zhǎng)也有抑制作用，該研究提供了使用紫桿豆防御素來(lái)生產(chǎn)抗真菌藥物和/或具有抗真菌性的轉(zhuǎn)基因植物的可能[21]。

4.3 加強(qiáng)田間管理

選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)秋翻，盡早識(shí)別和發(fā)現(xiàn)高粱大斑病的發(fā)生，把病殘株漚肥或者徹底燒毀，減少菌源殘留。實(shí)行輪作，減少土壤中大斑病菌數(shù)量。

4.4 生物防治

栽培栽培抗病品種主要存在生理小種眾多而致病性極易變異，田間連續(xù)種植單一抗病品種易發(fā)生抗性喪失，抗性基因較難挖掘等問(wèn)題，化學(xué)防治則涉及到環(huán)境污染和食品安全。近年來(lái)，生物防治迅猛發(fā)展，有著高效、安全等優(yōu)勢(shì)，可以作為真菌病害防控研究和實(shí)踐的重要發(fā)展方向。與其他生物防治方法相比，低毒真菌病毒在生物防治上具有潛在的優(yōu)勢(shì)。某些低毒真菌病毒能快速侵染真菌菌落的生長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行大量復(fù)制，從而抑制病變的擴(kuò)展。第一次應(yīng)用到生物防治的真菌病毒是Cryphonectriahypovirus1(CHV1)[22]。20世紀(jì) 90 年代，歐洲開(kāi)始大規(guī)模地利用生物防治板栗疫病，并且獲得了顯著成效。另一個(gè)得到實(shí)際應(yīng)用的低毒病毒是華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜道宏教授課題組從油菜菌核病的病原菌核盤(pán)菌中發(fā)現(xiàn)的首單鏈環(huán)狀DNA 病毒(Sclerotiniasclerotiorumhypovirulence associated DNA virus 1)SsHADV-1。在田間條件下，SsHADV-1可以降低病害的嚴(yán)重程度，并顯著提高油菜籽產(chǎn)量。病毒顆粒在植物的葉片上非常穩(wěn)定，因?yàn)榉謩e在接種后15 d和接種后10 d在受傷的葉片上可以檢測(cè)到病毒DNA。但是病毒不能感染植物細(xì)胞[23]。另外，真菌病毒混合侵染減弱寄主致病性的現(xiàn)象也有報(bào)道，例如MOCHAMA 等[24]發(fā)現(xiàn)核盤(pán)菌DK3菌株的dicer1/2雙敲除突變株生長(zhǎng)較慢，而hypovirus-related virusSclerotiniasclerotiorumhypovirus 2-Lactuca (SsHV2-L)、SsHADV-1共同侵染突變株后出現(xiàn)其生長(zhǎng)更為緩慢、色素沉著減少和菌核形成延遲等表型變化。利用低毒病毒對(duì)植物真菌病害進(jìn)行生物防治被認(rèn)為是極具潛力的防治策略。高粱大斑病的生物防治尚未見(jiàn)報(bào)道。

5 高粱大斑病菌的真菌病毒

作為大斑凸臍孺孢菌的不同專(zhuān)化型，玉米大斑病菌中有5個(gè)病毒被鑒定：包括1個(gè)低毒病毒(Setosphaeriaturcicahypovirus 1，StHV1)、1個(gè)未分類(lèi)病毒(Setosphaeriaturcicaambiguivirus 1，StAV1)、1個(gè)線粒體病毒(Setosphaeriaturcicamitovirus 1，StMV1)[25]、1個(gè)鐮刀菌病毒(Setosphaeriaturcicafusarivirus 1，StFV1)[26]和1個(gè)多分體病毒(Setosphaeriaturcicapolymycovirus 1，StPmV1)[27]。

2022年，在高粱大斑病菌中首次報(bào)道了一種新的雙鏈RNA(dsRNA)病毒，其基因組由4個(gè)片段組成(dsRNA1-4)。每個(gè)dsRNA攜帶單一的開(kāi)放閱讀框(ORF)，兩側(cè)是含有嚴(yán)格保守的末端的5′和3′非編碼區(qū)(UTRs)。dsRNA1編碼的蛋白與Alternariaalternatachrysovirus 1 (AaCV1)的RdRP具有高達(dá)80.50%的同源性，屬于產(chǎn)黃青霉病毒科(Chrysoviridae)。 dsRNA2編碼外殼蛋白，而dsRNA3和dsRNA4分別編碼功能未知的蛋白。基于RdRP蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，該病毒與產(chǎn)黃青霉病毒科β產(chǎn)黃青霉病毒屬(Betachrysovirus)的成員形成一個(gè)單系進(jìn)化枝。綜合dsRNA特征、氨基酸序列比較和系統(tǒng)發(fā)育分析，該真菌病毒被認(rèn)為是產(chǎn)黃青霉病毒科的一個(gè)新成員，并被命名為Setosphaeriaturcicachrysovirus 1(StCV1)。此外，在StCV1感染和病毒脫毒的高粱大斑病菌株之間，觀察到菌落、菌絲和孢子形態(tài)的明顯差異。病毒脫毒菌株SNJ38-1的菌落形態(tài)形成規(guī)則的圓形，菌絲密度明顯高于病毒感染菌株SNJ38的菌落。相比之下，病毒感染菌株SNJ38的菌落呈現(xiàn)出不規(guī)則的構(gòu)造。顯示出異常的菌絲和孢子形態(tài)，其菌絲多纏繞，扭曲。孢子無(wú)典型的梭狀，隔膜分布不均勻(見(jiàn)圖2(a)、2(b)、2(c))。StCV1感染也顯著降低了菌落生長(zhǎng)速度、孢子產(chǎn)生能力(見(jiàn)圖2(d)、2(e))和對(duì)寄主真菌的毒力(見(jiàn)圖3)[28]。隨后，研究報(bào)道StPmV2是屬于多分體病毒科多分體病毒屬的一種新的真菌病毒。此外，還鑒定了另外3個(gè)高度同源的Setosphaeriaturcicapolymycovirus2(StPmV2)分離株。這4個(gè)分離株2個(gè)從玉米大斑真菌中分離，2個(gè)從高粱大斑真菌中分離。這是第一次發(fā)現(xiàn)多分體病毒同時(shí)侵染玉米大斑真菌和高粱大斑真菌，且在寄主體內(nèi)的變異很少，序列高度保守[29]。

注：菌株SNJ38為StCV1侵染菌株；菌株SNJ38-1為脫毒菌株。PDA為馬鈴薯葡糖糖瓊脂培養(yǎng)基。圖(d)(e)中不同字母表示差異顯著(P<0.05，n=6)。圖2 高粱大斑病菌感染真菌病毒菌株與脫毒菌株的生物特性Fig.2 Biological properties of the infected and isogenic virus-cured S.turcica f.sp.sorghi strains

注：圖(b)中不同字母表示差異顯著(P<0.05，n=6)。圖3 接種水和菌種(1×104個(gè)/mL孢子懸浮液)7 d后高粱葉片上的病斑圖片和病斑形成個(gè)數(shù)比較Fig.3 Disease spot representative images and histogram of the frequency of flecks formation on sorghum leaf inoculated with water and strains (1×104 conidia·mL-1 spore suspension)at 7 days

檢測(cè)高粱大斑病原群體中真菌病毒的多樣性，分析群體的帶毒率及常見(jiàn)真菌病毒的生物學(xué)特性；測(cè)定2種專(zhuān)化型群體中均存在的真菌病毒，探究能否相互侵染以及侵染的方式；篩選弱毒真菌病毒資源，觀察其對(duì)寄主的致病力的影響等，都是探究真菌病毒系統(tǒng)演化和生物特性，為高粱大斑病的生物防治提供病毒源材料的有效途徑。

6 展望

生物脅迫如真菌感染、病蟲(chóng)害等是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，限制作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要原因。致病原與寄主之間的互作機(jī)制的研究可為農(nóng)作物病害防治提供科學(xué)依據(jù)。在高粱大斑病菌與高粱的互作系統(tǒng)里，針對(duì)高粱對(duì)高粱大斑病菌抗性基因的篩選，在高粱大斑病菌與高梁大斑病菌真菌病毒的互作系統(tǒng)里，針對(duì)低毒力高粱大斑真菌病毒的發(fā)現(xiàn)，都是植物學(xué)家們?cè)谏锟萍技夹g(shù)迅猛發(fā)展的加持下，在浩如煙海的基因庫(kù)與病毒庫(kù)里，通過(guò)堅(jiān)持不懈的基礎(chǔ)研究為高粱大斑病的防治提供新思路。