棉花轮纹斑病研究进展及防控策略

王雅静, 李郁婷, 刘 泉, 吴学宏

(中国农业大学植物保护学院植物病理学系, 北京 100193)

棉花Gossypiumspp.为锦葵科Malvaceae棉属Gossypium植物,原产于热带及亚热带地区,是主要的天然纤维作物,也是第二大植物蛋白资源和重要的油料作物,广泛应用于轻工、饲料、医药及军工等产业[1-2]。世界上种植棉花的国家主要有印度、中国、美国和乌兹别克斯坦等[2]。我国棉花主产区分布在20多个省、直辖市、自治区,播种面积约为422.23万 hm2[3]。棉花轮纹斑病,又称黑斑病(Alternaria leaf spot, black leaf spot),作为一种常见的侵染性真菌病害,在世界范围内广泛发生,对棉花生产危害严重[4]。本文围绕棉花轮纹斑病的症状、发生与危害、病原菌种类、病害循环和发病条件以及综合防控技术进行综述。

1 棉花轮纹斑病的症状、发生与危害

棉花轮纹斑病可以侵染棉花的子叶和真叶、茎秆、棉铃和花芽,其中对叶部的危害最为严重[5-6],在棉花生长的整个周期均可发生[7],大多发生于棉花幼苗期子叶和成株期叶片上[4]。在幼嫩的子叶上,病害的典型表现为棕色小圆形病斑,病斑边缘紫色;在适宜条件下,病斑直径可扩展至10～15 mm;有时叶柄也会受害,出现黄褐色条斑,严重时子叶干枯、脱落[8-9]。成株期叶片上的病斑初为褐色圆点斑,伴有紫色晕圈,直径约1～2 mm,严重时病斑直径可达2～3 cm;随着病害的发生,病斑扩展为灰褐色近圆形,变干易碎,坏死斑可能会破裂并脱落,形成“洞眼”;病斑两面均具有同心轮纹,叶片正面更为明显;条件适宜时病斑表面出现黑色霉状物,即为病原菌[5,10]。

轮纹斑病在田间的发生规律为:苗期和8月份之前发病极轻;成株期8月份后病情发展迅速;9月末病情指数和发病率都达到最高峰[11]。

棉花轮纹斑病在我国的主要棉区均有发生,特别是北方棉区,在阴湿多雨的年份极易发生大流行,严重时棉叶脱落、棉株光秆、枯死[12]。在棉花叶部病害中,轮纹斑病分布最广、流行频率极高、 危害最严重[13];据不完全统计,发病较轻的地区产量损失约为15%,发病严重的可达20%～50%。病害还会降低棉纤维的品质,给棉农带来重大经济损失[14]。

此外,轮纹斑病还会启动叶片衰老过程,引起棉花早衰,导致棉叶失绿、变黄、变红,进而叶片焦枯、脱落,严重时整株枯死[15],是导致棉花早衰的主要原因。轮纹斑病发生发展过程中乙烯的释放量增加,乙烯是造成植物成熟衰老的重要原因之一,因而加速棉花的衰老[16];同时,链格孢菌毒素也可能是轮纹斑病导致叶片衰老的原因之一。近年来,低温和链格孢菌共同导致的棉花早衰,已遍及我国各棉花主产区,严重影响我国棉花生产[7,17],危害较轻的年份经济损失为92.5亿～130亿元,危害严重的年份甚至可超过200亿元[18]。

2 棉花轮纹斑病的病原菌种类

引起棉花轮纹斑病的病原菌有多种,其中大孢链格孢菌Alternariamacrospora和交链格孢菌A.alternata为世界范围内棉花轮纹斑病的主要病原菌[8];A.macrospora主要在棉花生长前期侵染叶片,而在棉花生长后期叶片更易被A.alternata侵染[5]。此外,细极链格孢菌A.tenuissima、棉链格孢菌A.gossypina等也较为常见[19-20]。

2.1 国外关于棉花轮纹斑病病原菌的研究

1918年,Faulwetter 最早发现棉花轮纹斑病时,无法准确地鉴定出其病原菌,但是认为其病原菌与A.tenuis相似[21]。1964年,Calvert等报道轮纹斑病的病原菌为A.tenuis[22],而之后A.tenuis被命名为A.alternata[23]。1991年,Hillock在津巴布韦调查时也发现A.alternata是轮纹斑病的病原菌[21]。2000年和2001年,Palmateer等对美国阿拉巴马州陆地棉的真菌多样性调查研究发现,A.alternata是棉花上最主要的病原菌[24]。

1956年,Rane和Patel 首次在印度发现棉花轮纹斑病时,认为其病原菌为A.macrospora[25]。1981年,印度草棉上发生的轮纹斑病也是由A.macrospora引起的[26]。同年,Hillock报道在坦桑尼亚发生的棉花叶部斑点病害中,A.macrospora是最为普遍的病原菌[27]。2008年,Dighule等从印度发病的棉叶上分离病原菌,确认A.macrospora是造成棉花轮纹斑病的主要病原菌[28]。

1979年,埃及报道表明棉花轮纹斑病的致病菌为A.tenuissima[26]。1988年,Rotem在以色列进行引起两个最主要棉花品种‘Pima’和‘Acala’ 发病的病原菌种类研究时发现,田间种植‘Pima’棉花时,A.macrospora是主要病原菌,其次为A.alternata,且A.macrospora和A.alternata的周期性平均分离比为1∶0.4;而田间种植‘Acala’棉花时,叶部病斑主要由A.alternata引起,其次为A.macrospora,且A.macrospora和A.alternata的分离比为1∶19[29]。1991年,Bashan等研究认为,棉花轮纹斑病由A.alternata或A.alternata和A.macrospora混合侵染所致,并且A.alternata产生的孢子量远大于A.macrospora[30]。2007年,Bhuiyan等对澳大利亚北部的棉花种植区研究发现,A.alternata和A.macrospora是引起棉花轮纹斑病的病原菌,其中A.macrospora是棉花生长早期的主要病原菌,而在棉花生长后期,则以A.alternata为主;同时还发现,16%～65%的发病植株存在A.alternata和A.macrospora混合侵染的现象[5]。2016年,Sangeetha 等对印度7个棉花种植区调查研究后认为棉花轮纹斑病的病原菌为A.alternata和A.macrospora[31]。

2.2 国内关于棉花轮纹斑病病原菌的研究

国内关于棉花轮纹斑病病原菌的研究甚少。1988年,商鸿生对来自陕西关中地区190份棉花轮纹斑病样品进行鉴定,表明其病原菌为A.macrospora[32]。1999年,卢金宝等在南疆地区棉花轮纹斑病发病严重的海岛棉田块连续取样进行分离培养鉴定,证实其病原菌为A.macrospora[19]。2011年,陈凯等从河南省部分地区感染轮纹斑病的棉株上采集病叶并分离病原菌,根据棉花病株症状及病菌的形态特征,并结合rDNA-ITS序列分析鉴定出其病原菌为A.tenuissima[20]。李莎从北京、天津、新疆、山东、河北、河南、江苏等地采集发病叶片,分离得到17株病原菌,经形态学和分子生物学鉴定,其中16株为A.alternata,1株为A.macrospora[33]。但是国内未见关于轮纹斑病病原菌种群结构研究的系统报道,我国其他棉花种植省份的主要病原菌尚不清楚,且2014年后未见关于轮纹斑病病原菌的报道,已报道省份的优势病原种群也有可能已经发生改变。

3 病害循环和发病条件

棉花轮纹斑病病原菌以分生孢子或菌丝体的形式在棉籽短绒、病残体上越冬,第二年作为初侵染源侵染子叶[9,34],一般经伤口侵入[35]。条件适宜时再产生分生孢子,经风、气流传播或雨水滴溅在田间造成再侵染[9,21]。此外,播种带菌种子能使幼苗发病,进一步扩大侵染[21]。

当温度在20～30℃范围内,相对湿度大于80%的情况下轮纹斑病极易发生,降雨频繁时则更加有利于病原菌的侵染和病害的扩展[36]。当田间早晨相对湿度较高而夜间相对湿度较低时轮纹斑病的病情指数会增加[37]。病原菌生长的最适温度为25℃[38],但也有研究表明,低温胁迫可能会抑制棉花对链格孢菌的防御应答,棉株抗病力降低,因而短暂低温能诱发轮纹斑病的发生[16]。因此,当昼夜温差较大时,棉株在夜间遭受短暂的低温胁迫,轮纹斑病菌易于侵染叶片,从而导致轮纹斑的形成。秋季低温高湿易诱发轮纹斑病发生大流行,此时正处于棉花生长的中后期,棉花根系活力降低,各器官功能衰退,棉株的抗性水平下降,适宜的气候条件再加上寄主本身抵抗力降低,病害极易发生大流行[19]。病原菌对酸碱度的适应能力强(在pH为2～10的范围内均可发育)[39]。当田间排水不良、偏施氮肥、植株遭受风害或营养不良时易于发病[36,38]。此外,缺钾时棉花更易受轮纹斑病菌的侵染[40]。

4 棉花轮纹斑病的防控策略

齐放军等[12]曾针对棉花早衰制定出一套防控技术体系,即“选种、壮苗、补钾、抗逆、防病”。选择生长后期长势好、抗病、抗逆性强的品种,保证营养供给充足,保障棉苗根系健康生长,适时补钾,提高棉株防病、抗逆能力。这一防控体系中的“防病”,最主要的是预防棉花轮纹斑病的发生。

棉花轮纹斑病的发生与气候条件、棉株生长状况以及栽培管理措施密切相关,进行防治时要采取“预防为主,综合防治”的策略,密切监测棉花轮纹斑病病原菌致病力的变化及棉花主要栽培品种的抗病性变化[12],因地制宜,科学防治。生产中以农业防治和化学防治为主,同时要结合抗病品种的选育以及生防制剂的研究和开发。

4.1 农业防治

4.1.1 加强田间管理

首先,收获后应彻底清除田间病残组织,将带菌表土和残枝败叶深翻于土中,消除病源,减少其传播和病原越冬基数。其次,适当休耕或与禾本科作物或绿肥轮作2～3年,降低菌源量,例如可与小麦、大麦、玉米和苜蓿等轮作,尤其是与水稻轮作能有效减轻病害发生[19,38]。在津巴布韦,当棉花轮纹斑病大流行后,若继续播种棉花,则会发现在棉花生长初期就有大量幼苗子叶受到侵染;若在棉花种植期间休耕一季,可大大降低幼苗侵染率[21]。最后,要合理密植,避免棉株过密,及时整枝,改善田间通风透光条件,提高棉株的抗逆性[38]。

4.1.2 棉花生长期优化水肥管理

对于陆地棉来说,当其受到链格孢菌的严重侵染时,若在棉株开第一朵花后确保植株能获得充足的水分,并保持土壤养分均衡特别是可利用的钾肥充足则可避免病害大流行[21],但要避免大水漫灌而导致田间湿度过高。在棉花生长中后期喷施叶面肥,已被证实是防治棉花轮纹斑病的最有效措施之一,并且要结合N、P、K肥增施有机肥,增强土壤基础肥力水平[19];具体做法为:在棉花打顶化控后(7月下旬到8月初)喷施1～2次尿素、磷酸二氢钾和硫酸锌的混合液肥,用量为尿素1 500 g/hm2+磷酸二氢钾600 g/hm2+硫酸锌150 g/hm2。

4.2 化学防治

化学防治仍然是防治棉花轮纹斑病最主要的措施,包括种子处理和生长期喷雾两种方式。在生产实践中要根据当地的种植品种和病原菌种类等因地制宜选择最为合适的杀菌剂,并根据气候条件、棉株生长状况等合理使用。

4.2.1 种子处理

在播种前对棉种进行处理,预防棉花轮纹斑病的发生。Shtienbeg用戊唑醇和苯醚甲环唑对‘Pima’棉种进行处理,发现在温室条件下,这两种杀菌剂能抑制幼苗期子叶的脱落;在大田条件下,经过处理的种子可以延缓病害进程,且这两种杀菌剂的效果相同[41]。在我国,有研究者提出用32%乙蒜素·三唑酮乳油1 000倍液浸种6～8 h,之后将种子捞出稍稍晾干再进行拌种,用量为1.5 kg棉种拌8%拌种灵·福美双可湿性粉剂10 g[34]。

4.2.2 苗期防治

齐苗后每5～7 d用25%多菌灵可湿性粉剂或40%多硫胶悬剂500倍液喷雾1次,连续喷2～3次;移栽大田后,在茎秆发病初期每7 d用32%乙蒜素·三唑酮乳油1 500倍液或50%代森锰锌可湿性粉剂500倍液喷雾1次,连续2～3次,同时在喷药时可混用0.3%磷酸二氢钾溶液以提高防治效果[34]。

4.2.3 生长中后期防治

棉花轮纹斑病的高发期一般在棉花生长中后期,此时要注意天气变化,在降雨以及突发降温前及时喷药保护,药剂可选择代森锰锌等保护性杀菌剂。病害发生时,可选用三唑类药剂进行防治。

Bhattiprolu研究发现醚菌酯和代森锰锌能有效控制轮纹斑病,提高棉田产量[42]。Housadoudar等研究发现,用3%萎锈灵进行种子处理+0.1%丙环唑进行叶面喷施能显著降低棉花轮纹斑病的病情指数;而用3%萎锈灵种子处理+0.1%己唑醇叶面喷施经济效益更高[43]。Meena 和Ratnoo分别采用转Bt棉花和非转Bt棉花测试了8种杀菌剂(王铜、代森锰锌、敌菌丹、戊唑醇、多菌灵、己唑醇、丙环唑、多菌灵+代森锰锌)在0.1%和0.2%的浓度下对A.macrospora、A.gossypina和A.alternata引起的病害防治效果,代森锰锌和己唑醇最为有效,其次为王铜和丙环唑,同时0.2%的浓度比0.1%更为高效[8]。Kapadiya等通过3年的试验发现70%克菌丹和5%己唑醇混配能有效降低轮纹斑病的病情指数,并能提高籽棉产量,改善棉纤维纯度、均匀度以及强度[44]。

但近年来,国内关于对防治棉花轮纹斑病药剂筛选的研究甚少,生产实践中常使用保护性杀菌剂或苯并咪唑类内吸性杀菌剂等单一药剂进行防治,易使病原菌产生抗药性,防治效果降低[45]。因此,应展开有效抑制轮纹斑病菌杀菌剂的筛选以及对安全高效的新杀菌剂的研发工作。

4.3 选用抗病品种

根据棉花轮纹斑病的发展趋势和病害的危害性,加强抗病品种的选育。尤其是针对棉花生长中后期对轮纹斑病的抗性,应列入育种目标中。Meena发现与转Bt棉相比,非转Bt棉对轮纹斑病的病原菌及其产生的毒素更为敏感[46]。Cotty曾研究了美国亚利桑那州普遍种植的棉花品种对A.macrospora的感病性,发现陆地棉Gossypiumhirsutum比海岛棉G.barbadense更抗病,而在陆地棉栽培品种中,‘Deltapine 61’,‘Acala SJ-5’和‘McNair 235’比‘Deltapine Acala-90’更为抗病[39]。Cia对18个棉花基因型在自然状态下对轮纹斑病的发病状况研究后发现,TMG 81 WS、IMA 09-474、NUOPAL、IAC 08-2031和IAC 26 RMD等5种基因型具有稳定的抗病性[47]。Bhattiprolu对376种棉花基因型进行筛选,发现TCH1717,RAJHH783等2种基因型对轮纹斑病免疫,且有47种基因型表现抗病性[48]。

但国内对抗棉花轮纹斑病品种方面的报道甚少[49],因此应当开展抗病品种的筛选工作,并且随着现代分子生物学的发展,可以筛选抗病基因,将基因工程手段与传统育种方式结合来培育抗病品种。

4.4 生物防治

近年来,化学农药的过量使用对环境的危害严重,人们越来越重视对生态环境的保护,病害生物防治的研究也越来越重要。

Jabaji-Hare等研究了非致病性双核丝核菌和苯并噻二唑对棉花轮纹斑病的防治效果,发现非致病性双核丝核菌的防治效果要优于苯并噻二唑,且两者具有协同作用[50]。陈凯等研究了7个哈茨木霉菌株对棉花轮纹斑病病原菌的室内抑菌效果,筛选出两株较为理想的拮抗木霉菌株TH和TA[20]。Bhattiprolu等报道哈茨木霉Trichodermaharzianum和绿色木霉T.viride能有效防治棉花轮纹斑病[51]。Bhattiprolu 发现利用荧光假单孢菌Pseudomonasfluorescens进行种子处理和叶面喷施能够显著控制棉花轮纹斑病,降低病害严重度[52]。Kapadiya等发现荧光假单胞菌还能有效地控制细菌性叶枯病和灰霉病的发生。李莎筛选出一株对棉花轮纹斑病病原菌有拮抗作用的枯草芽胞杆菌Bacillussubtilis,其抑菌率可达78.1%,抑菌效果稳定,具有较广的抑菌谱,对链格孢菌的分生孢子、菌丝均有抑制和破坏作用,并有一定的田间防效[33]。Laxman 和Venkat 等从土壤中筛选出18株能有效抑制轮纹斑病病原菌生长的根际细菌,抑制率均大于50%[54]。

5 展望

棉花轮纹斑病是棉花上一种重要的叶部病害,危害严重时带来巨大的经济损失。目前对这种病害的研究主要集中于病原菌的鉴定、发病条件及化学杀菌剂的筛选等方面,近年来一些学者也着手研究其生物防治。国内对于棉花轮纹斑病的病原菌种群结构研究甚少,国外报道的5种病原菌中,在国内只发现A.alternata、A.macrospora和A.tenuissima3种,且仅见于北京、天津、新疆、山东、河北、河南、江苏、陕西等8个省(直辖市、自治区)。此外,关于病原菌的侵染方式、致病机理、病原菌与寄主的互作机制、抗病品种的鉴定以及病原菌对杀菌剂的抗性等方面的研究尚未见报道。因此,明确棉花轮纹斑病病原菌在全国各地的种群结构及其分布、病原菌与寄主的互作机制以及病原菌对杀菌剂的抗性机制,筛选有效防治该病害的杀菌剂,对棉花轮纹斑病综合防控策略的制定具有重要意义。