水稻稻曲病的研究进展

邹克琴，胡东维，王为民，徐晓晖

(1.中国计量学院 生命科学院，浙江 杭州 310018;2.浙江大学 生物技术研究所水稻生物学国家重点实验室，浙江 杭州 310029)

水稻稻曲病 (rice false smut)是由稻曲病菌［Ustilaginoidea virens(Cooke)Tak］引起的水稻真菌病害。据调查发现，稻曲病主要发生于亚洲稻区，如中国、印度、缅甸等东南亚国家。在欧洲、美洲和非洲等地区也均有发生［1-2］。稻曲病在历史上对水稻的危害损失并不严重，仅仅作为水稻生产的次要病害。但是近年来，随着全球气候变化和我国高产优质杂交稻大面积推广以及水稻水肥水平的提高，稻曲病在日本和我国的湖南、江西、辽宁、云南、黑龙江等多个省份发生并危害逐年加重。稻曲病已从次要病害上升为主要病害［3］。水稻发生稻曲病后，不仅造成大量瘪粒病粒，降低稻谷产量及质量，而且病粒含有毒素，这种毒素能引起人畜慢性中毒，极大的影响了粮食高产稳产和粮食食品安全。水稻稻曲病的防治和抗病研究逐渐成为目前关注和亟待研究解决的问题。本文将国内外水稻稻曲病研究的概况进行综述，为科学研究人员提供参考。

1 稻曲病原菌的生物学特性

1896年，Cooke等［4］首先从印度获得稻曲病病原菌标本，并命名为 Ustilago virens。1895年，Bregend根据病原菌的分生孢子特征，提出建立Ustilaginoidea属，并把稻曲病菌名称改为Ustilaginoidea virens。稻曲病病原菌属子囊目麦角科拟黑粉属。也有研究人员认为其属于子囊菌纲麦角菌目麦角菌科的绿核菌属。稻曲病原菌在病穗上一般形成黄色或墨绿色的稻曲球，在稻谷病粒上可形成黑色菌核，呈纺锤形、马蹄形等多种形状。稻曲病菌无性态主要有厚垣孢子、分生孢子。厚垣孢子黄色或黑褐色，圆形或稍椭圆形，表面有许多疣状突起。分生孢子为薄壁孢子，呈卵圆形或长圆形，单胞无色透明，外表光滑［5-6］。稻曲病菌有性阶段主要是菌核萌发形成子座、子囊和子囊孢子。王疏等［7］发现了一个稻曲病菌白化菌株，对白化菌株的生物学特性、酯酶同功酶和RAPD谱带进行研究，发现与稻曲病菌在蛋白质系统、DNA序列及碱基排列顺序上均存在明显差异。认定它是不同于稻曲病菌的一个新种 U．albicans。

1895年，Brefeld在人工培养基上分离得到了病原菌。1975年，Sharma在酵母培养基上从新鲜菌核上分离到了分生孢子。目前，稻曲病菌的分离方法主要有组织块分离法、菌核分离法、稻曲球分离法、厚垣孢子悬浮液法等。稻曲病菌菌丝生长速度与环境条件和培养基类型有关。稻曲病菌分生孢子萌发的适温为22～31℃，其中28℃最好，最适pH值为6.0～7.0。50℃为致死温度［8］。PSA培养基最适于孢子萌发，稻曲病菌生长的最佳碳源为蔗糖，最适蔗糖浓度为2% ～3%，葡萄糖强烈抑制孢子萌发，马铃薯煮汁既可抵消葡萄糖的抑制作用，又可刺激孢子萌发［9］。紫外线和太阳光照射对厚垣孢子的发芽有一定的抑制作用，黑暗条件利于稻曲病菌的生长。稻曲病菌黄色厚垣孢子培养20 h萌发率可达90%以上，而黑色厚垣孢子不萌发;黄色厚垣孢子萌发的最适温度为25～30℃，最适 pH 值为 5.0 ～8.0［10］。

2 稻曲菌毒素

水稻稻曲病不仅影响水稻的产量和品质，而且对稻米的食用安全以及稻田环境的生物安全带来了隐患。我国植病学家朱凤美在50年代便指出稻曲病菌含有有毒色素。目前，研究人员已从稻曲球中分离到UstiloxinsA-UstiloxinsE 6种毒素，用稻曲病粒喂养兔、鸡、老鼠等动物，可导致动物肝、肾脏等内部器官病变［11］。日本学者［12］研究发现稻曲病菌毒素Ustiloxins是类抗真核细胞有丝分裂的环形肽。陈美军等［13］进行了稻曲毒素活性检测和细胞定位的研究，发现该毒素具有热稳定性，100℃加热30 min，毒性不被破坏。稻曲毒素的活性机制主要是抑制动植物细胞的有丝分裂。稻曲病菌产生的有毒物质在高浓度时可抑制稻种萌发和胚芽生长。通过测定水稻花药愈伤组织在粗毒素胁迫下的生长量，其结果与田间抗性表现相关性较大［14］。

3 稻曲病的发病机制

国内外许多研究人员对稻曲病菌侵染水稻的发病机制进行了研究。稻曲病菌不但侵染水稻，还可以侵染玉米和田间一些杂草如马唐属 (Digitaria marginata)和水社黍以及野生稻［15］。稻曲病病原菌的菌丝体、厚垣孢子、菌核、稻曲球均可以越冬。一般认为，稻曲病菌在温度26～28℃、空气相对湿度88%以上，在水稻孕穗期、始穗期和扬花期极有利于稻曲病侵染发病。Ikegami等［16］用稻曲病菌厚垣孢子在水稻孕穗期接种引起水稻发病。王国良等［17］在孕穗期和始穗期分别用注射和喷雾人工接种病曲菌悬浮液，均可使水稻发病。张君成等［18］分别用稻曲病菌的分生孢子和厚垣孢子接种水稻，研究表明，不论是田间还是室内，分生孢子接种发病率均高于厚垣孢子，同一接菌体注射接种法发病率高于喷雾接种，尤以孕穗期分生孢子注射接种处理发病率最高。

关于稻曲病菌的侵染机制，目前有2种不同观点，即花期穗部侵染和苗期系统性侵染。花期穗部侵染的主要证据，是孕穗后期人工接种可大幅度提高病穗率［19］。也有研究人员［20］认为，稻曲病菌的侵染可能是苗期系统性侵染。在水稻萌发期病原菌孢子可大量成功侵染胚根和胚芽鞘，稻曲病菌的侵染方式属于角质层下侵染，病原菌不能直接侵入水稻细胞，只能在水稻组织的细胞间隙中扩展。

4 稻曲菌的分子生物学

在水稻抗稻曲病的研究过程中，国内外学者从抗病水稻品种特性、稻曲菌的致病分子机理和遗传多样性方面进行了初步研究。不同水稻品种对稻曲病抗性反应差异显著，水稻内部的组织化学结构差异可能是抗性差异原因之一。代光辉等［21］研究表明，抗稻曲病水稻品种的颖壳中含有大量的木质素和多酚类物质，感病品种中的木质素较少。木质素和多酚类物质可能在抗病中起着某种作用。

水稻受到稻曲病菌的侵染后，转录组水平和蛋白质组水平都将发生变化。张震等［22-24］从稻曲菌中克隆了促分裂原活化蛋白激酶UVMK1基因，该蛋白由355个氨基酸组成，这有利于揭示稻曲菌生长和致病期间MAPK的信号转导路径，并且利用根癌农杆菌介导转化系统建立了稻曲病的分子转化体系，完成了稻曲菌cDNA文库的制备。稻曲病菌遗传转化体系的建立以及cDNA文库的制备，对克隆相关致病基因，研究稻曲病菌的致病机理和分析遗传变异机制打下了基础。潘雅娇等［25］用 AFLP技术分析了稻曲病菌的遗传多样性，发现稻曲病菌和水稻品种不存在明显的专化性互作。周永力等［26-27］采用RAPD和 AFLP技术分析稻曲病菌的遗传多样性和群体遗传结构，并用PCR技术进行了稻曲病的专一性检测研究。李余生等［28］进行了水稻稻曲病的抗性遗传机制研究，结果表明水稻稻曲病抗性遗传率为82.84%。王永强等［29-30］分析了不同地理来源稻曲病菌的rDNA-IGS序列的多态性，发现不同地理来源稻曲病菌的rDNA-IGS中部变异区的重复序列单元的数目不同，rDNA-IGS序列特征可以作为种下群体的分子遗传标记。还分析稻曲病菌的rDNA-ITS片段发现，不同来源的稻曲病菌在ITS序列上均高度同源，无法反应菌系相互之间的亲缘关系。刘连盟等［31］克隆得到了稻曲菌的G蛋白β亚基2037bp的全编码基因序列。该序列包含4个内含子，5个外显子和1个编码359个氨基酸的开放阅读框，将该基因进行了原核表达并进一步做基因敲除研究，这为稻曲病菌致病分子机理打下了基础。

5 存在的问题与前景展望

水稻稻曲病自发现以来，国内外学者对稻曲病已做了大量的研究工作。但对稻曲病的寄主范围报道少且无准确的研究结果，对稻曲病菌病原学还缺乏较为系统的研究。对稻曲病菌致病性变异原因和致病性变异的分子机理尚不明确。稻曲病菌与水稻互作机理，与水稻细胞的识别和信号传导、水稻防卫反应基因激活过程研究相对薄弱。

在未来几年，需要找到稻曲菌的侵染致病和毒性变异的重要相关基因，对稻曲菌全基因组有清晰的认识，建立成熟的稻曲菌的遗传转化技术体系，利用RNA干扰、基因敲除等反向遗传学的方法和技术建立一些稻曲菌突变体。从分子水平阐明稻曲病菌的致病机理。利用功能基因组学和蛋白质组学的研究技术方法，分离和克隆水稻抗稻曲病基因，研究稻曲菌与水稻互作过程中，病原激发子的信号传导与防卫反应基因激活过程的调控机理，并通过转基因技术创建新的抗稻曲病菌的种质资源与持久抗稻曲病新品种。

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