中国大麦黄矮病毒及BYDV-GAV株系研究进展

乔世英，闫佳会，郭青云

（青海大学农林科学院/青海省农业有害生物综合治理重点实验室/农业农村部西宁作物有害生物科学观测实验站，青海 西宁 810016）

由大麦黄矮病毒（Barley yellow dwarf virus，BYDVs）引起的小麦黄矮病是一种全球范围内的麦类作物病害，该病害最早在美国加利福尼亚州发生并被报道[1]，此后在韩国、土耳其、法国、英国等国家也曾有过发生报道[2]。我国小麦黄矮病最早于20世纪六七十年代在陕西、甘肃等地发生并报道[1]，对粮食作物生产造成严重的经济损失。该病害被称为麦类作物的“黄色瘟疫”，一般情况下会造成麦类作物减产40%左右，严重时减产高达70%以上，因此又被称为麦类作物的“癌症”[3-4]。近年来，小麦黄矮病虽不在全国范围内流行发生，但仍是一种地方性病害[2,5]，曾在我国的陕西、合肥、哈尔滨、西藏、青海、云南、甘肃等省份都有过发生为害[6-11]。

BYDV是黄症病毒科（Luteovirdae）黄症病毒属（Luteovirus）成员[12]。BYDV株系划分主要根据其传毒介体的专化性进行[13]，不同的株系具有特定的传播介体。在国际分类上，目前美国确定有BYDV-PAV、BYAV-MAV、BYDV-RPV、BYDV-SGV、BYDV-RMV 5个株系[4]；我国鉴定有4个株系，分别为BYDV-PAV、BYDV-GAV、BYDV-GPV、BYDV-RMV株系[14-15]。BYDV的主要传毒介体为蚜虫，该病毒不能通过汁液摩擦进行传播[16-18]。

BYDV除为害麦类作物外，还会为害部分单子叶禾本科杂草。但有学者在土耳其的两种双子叶植物上发现存在BYDV-PAV株系的侵染，这是首次在双子叶植物上发现BYDV的存在[4]。BYDV为害植株后植株表现的典型症状为矮化、丛枝、叶片发黄、叶片出现黄绿相间条纹等[7-9]。BYDV对麦类作物生产危害较重，防治该病害的途径主要有抗病品种的选育、化学防治等。

本文对BYDV为害症状、株系分化、基因组结构和功能等方面进行梳理，并从作物品种的抗性鉴定、抗性基因筛选等对BYDV-GAV进行相关综述[19]，以期为该病害的抗病育种提供一定的理论基础，在一定层次上保障了我国粮食产量稳定发展。

1 BYDV为害症状、传播、株系分化及防治

1.1 BYDV为害症状

BYDV为害麦类作物的典型症状为叶片黄化和植株矮化。小麦黄矮病的发生受多种因素影响（寄主种类、传播介体种类、环境条件、侵染时间等）[20-21]。BYDV可侵染多种麦类作物，在小麦、青稞、燕麦等主要粮食作物上为害较为严重，有时也会危害水稻、莜麦等作物。小麦感染BYDV后主要表现为植株矮化、叶片黄化、分蘖减少、丛枝等症状（图1）[5-9]。在燕麦上，植株受害后产生一种燕麦红叶病，症状表现为植株受害后期叶片褪绿变红，且相对于健康叶片明显增厚，危害严重时，叶片褪绿变为紫色[22]（图2）。青稞受BYDV侵染后，所表现的症状与小麦上相差甚微，主要表现为叶片明显黄化，植株变矮，受害严重时，植株叶片变红变紫（图3）。

在植物生理方面，小麦感染BYDV-GAV后株高、叶绿素含量、千粒重等明显下降，植株体内过氧化物酶（peroxidase，POD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）等的活性升高[23-25]。

图1 小麦受害症状Fig. 1 Symptoms of the virus-infected wheat

图2 燕麦受害症状Fig. 2 Symptoms of the virus-infected oat

图3 青稞受害症状Fig. 3 Symptoms of the virus-infected hulless barley

1.2 BYDV传播

BYDV的主要传毒介体为蚜虫，主要有麦二叉蚜（Schizaphis guaminum）、禾谷缢 管 蚜（Rpopalosiphum padi）、 麦 长 管 蚜（Sitobion avenae）、 玉 米 蚜（Rpopalosiphum maidis）[26]。蚜虫传毒过程为蚜虫在吸食已被病毒侵染的植株韧皮部汁液后，植株体内的病毒粒子存在于蚜虫体内，而后通过蚜虫取食新叶片随唾液进入植株内从而为害植株的正常生长，且蚜虫在取食感染BYDV-GAV的植株后其体内POD、超氧化物歧化酶（SOD）、酸性磷酸酶（ACP）的活性明显升高[21,24]。

环境条件在一定程度也会影响病毒的传播，有学者研究了干旱胁迫和温度对病毒传播的影响[20]，结果表明温度升高会影响蚜虫迁飞，有助于BYDV的侵染；植株受到干旱胁迫时，感染BYDV的植株相对较多。蚜虫的迁飞时间也会影响病害的发生，东南方地区小麦蚜虫的迁出时间较早可能会导致西北地区春麦区黄矮病发生流行严重，从而对作物的生产造成一定影响。在其他方面，作物播种时间越早，病害发生越严重；不同品种作物感染BYDV的程度也不一致。

1.3 BYDV株系分化

株系是病毒粒体变异后的病毒粒体总称。病毒的变异包括其致病力、寄主范围、传播特性甚至病毒粒体形状受生物、物理、化学等因素影响后发生性状的变化。BYDV的株系划分主要依据其传播介体的专化性进行，目前美国划分有BYDV-RPV、BYDV-RMV、BYDV-SGV、BYDVPAV、BYDV-MAV株系（表1）[3]。我国BYDV株系的鉴定最早于20世纪70年代由周广和等[14]完成，结果鉴定得到我国BYDV主要有PAV、GPV、GAV、RMV 4种株系，其中GAV为我国主要流行株系，且为我国特有株系（表2）。相关序列分析结果显示，我国的GAV株系与国外确定的MAV株系血亲学关系较近，外壳蛋白序列一致性较高，在利用复制酶基因或非编码区域进行序列比对时发现我国的BYDV-GAV与PAV-aus的同源性较高[25-26]。

表1 美国BYDV株系分化Table 1 Strain differentiation of BYDV in America

表2 我国BYDV株系分化Table 2 Strain differentiation of BYDV in China

在我国主要的麦类作物种植地区，小麦黄矮病都有或轻或重的发生流行。研究发现青海省、西藏拉萨地区、哈尔滨等地的麦类作物种植区BYDV主要为害株系为GAV株系[7-8]，陕西省主要麦类作物种植区也存在BYDV-GAV的侵染[5]。根据其传播介体带毒率的不同，有研究表明山西省、青海省、甘肃省等地蚜虫的BYDV-GAV带毒率较高[27]。

1.4 病害防治

BYDV在我国主要粮食种植区为害严重，威胁着我国的粮食生产，因此该病害的防治也是重中之重。对于该病害的防治目前报道的主要有农业、化学、生物防治等[28]，但病害防治要遵循“预防为主，综合防治”的植保方针，多种防治方法综合利用，进而减少环境污染，提高防治效率。

BYDV-GAV是我国的主要流行株系[14]，其传毒介体为麦二叉蚜和麦长管蚜，阻断其传播途径是防治该病害的重要途径。但蚜虫的传毒过程受迁飞时间、当地环境条件等因素影响，对作物造成的危害具有时间的不确定性，因此增大了病害防治难度。杀虫剂和病毒抑制剂的混用可有效的减轻蚜虫的带毒为害，研究表明杀虫剂吡虫啉和病毒必克的复配混用可有效预防小麦黄矮病[29]。另有研究人员发现云芝多糖可抗BYDV，且一定浓度的云芝多糖可有效防治小麦黄矮病，该药剂的提前喷施对寄主小麦起到一定的保护作用[30-32]。药剂拌种是病害化学防治的一条重要途径，目前对该病害的防治应用最多的药剂拌种有吡虫啉等。小麦返青拔节期时喷施最新型的植物源农药WCT（多羟基双萘醛）也可对该病害起到良好的防治作用[33]。

在农业防治方面，选取种植适合当地的抗小麦黄矮病作物品种可在一定程度上减轻BYDV的侵染，有研究人员在陕西渭北合县对所种植小麦品种进行抗病性鉴定，并选育晋麦54号、晋麦47号等品种在当地进行种植，结果显示当年小麦黄矮病的发生相对较轻[29]。在青海省，有研究表明甘A100、兰麦-2对于小麦黄矮病具有较好的抗病性[34]，在晋南冬麦地区，临抗1号新品种的种植对于小麦黄矮病具有较好的抗病性[35]。

2 BYDV基因组结构及功能

BYDV为正义单链RNA分子，基因组大小约为5.7 kb，包含6个开放阅读框（Open reading frame, ORF）和4个非编码区（Untranslated region,UTR），基因组5′端无帽子结构，3′端无多聚腺苷酸Poly（A）尾巴（图4），也不折叠成类似tRNA 的结构[14,25-26,36]。

图4 BYDV基因组结构[25]Fig. 4 BYDV genome structure[25]

基因组结构内存在部分序列的重叠，ORF1编码蛋白P1，P1蛋白的功能尚不明确[25]，结构上ORF2与ORF1存在序列的部分重叠，ORF2编码蛋白P2，P2不能独立表达，蛋白P2与蛋白P1的融合表达与基因组的复制能力有关[26]，曾有研究人员报道蛋白P1内含有解旋酶，但后期研究并未验证这一结果[25-26]。ORF3编码其外壳蛋白（Coat protein, CP），分子量大小为22 ku，CP是BYDV病毒粒子表面的主要成分，与病毒的蚜虫传播专化性密切相关[37]。ORF4包含于阅读框ORF3中，两者之间存在序列的重叠，ORF4编码病毒的运动蛋白（Movement protein, MP），其蛋白分子量大小为17 ku，与病毒在植物组织细胞内的运动有关，可帮助病毒穿透植株的韧皮部细胞，从而对植株造成伤害，影响植株的正常生长发育，运动蛋白的研究与病毒的致病性、寄主范围、毒性有相关，MP的缺失会影响病毒对植株的系统侵染[38-39]。ORF5编码蛋白P5，位于CP的末端，与CP蛋白通读形成通读蛋白（Read through protein, RTP）而非融合蛋白，主要存在于病毒表面，部分研究表明通读蛋白与病毒的蚜虫传播专化性有关，近年来有研究表明该蛋白也会影响病毒在植株体内的稳定、扩散以及积累[40-41]。ORF6编码蛋白P6，位于基因组3′端，目前对于蛋白P6的功能尚不明确，部分研究发现其可能与病毒的复制有关[25-26]，此现象还未得到进一步的证实。

目前我国已完成BYDV-GAV基因组全序列的克隆[15]，且对于其基因功能的研究也较为完善。基因组水平上不同蛋白功能的研究对于该病害的研究提供了更多的理论支持，CP、MP、RTP的相关研究对该病毒的复制、传播、积累、蚜虫专化性等方面具有重要作用。目前，该病毒基因功能的研究存在部分欠缺，对于单个基因功能尚不明确的研究还有待进一步推进。

3 BYDV-GAV抗性鉴定、抗病基因鉴定

3.1 抗性鉴定

抗病性是植物对病害的抗耐受程度的一个评价标准，是培育抗病植株不可或缺的一项重要指标[42]。抗病性鉴定是植物抗病育种的一个重要评价方式。小麦、青稞、燕麦对小麦黄矮病的抗性鉴定主要通过堆测法和人工接种两种方法进行[34-35]，以病害平均严重度和病情指数两个指标作为抗病性评价标准。

根据病害平均严重度可分为6个标准：平均严重度=0为免疫（I），0≤平均严重度＜1为高抗（HR），1≤平均严重度＜2为抗病（R），2≤平均严重度＜3为中抗（MR），3≤平均严重度＜4为感病（S），平均严重度≥4为高感（HS）[19,43]。根据病情指数分为3个标准：病情指数≥50为高感，20＜病情指数＜50为感病，病情指数≤25为耐病[44]。曾有学者通过人工接种法对不同青稞品种进行小麦黄矮病的抗病性评价，根据病害平均严重度评价得到供试25份青稞品种中只有1份表现为抗病[10]。另有学者对部分燕麦品种进行了抗小麦黄矮病评价，同样以病害严重度作为划分标准，结果表明所采集的33份燕麦品种中有10份品种抗小麦黄矮病[19]。在小麦对BYDV-GAV的抗性鉴定方面，有研究人员通过推测法并依据病情指数对231份小麦品种进行了抗病性评价，得到其中5个品种具有较好的抗性[45]。更多抗病品种的选育是目前该病害防治工作的重要途径。

3.2 抗性基因鉴定与标记

目前，虽未在小麦属内发现对BYDV的良好抗源及抗性基因，但在其近缘种中发现并鉴定出多个抗性基因，且已有学者通过生物技术将该基因导入到小麦中，培育出多个小麦抗黄矮病品系[46-48]。

最早由中国学者和法国学者通过导入抗BYDV染色体培育的L1抗源高抗BYDV-GAV，以L1为主要抗源，通过杂交、回交等基因工程技术目前培育出了多个抗黄矮病品种。BYDV抗性基因相关研究表明，其抗性基因主要集中在3组染色体上，其中定位在7Ai和2Ai染色体上的抗性基因被广泛应用，在此项研究之前发现的抗性基因Yd1、Yd2、Yd3曾被应用于生产中，但因其不稳定性，造成该抗性基因应用范围较窄[47]。抗病基因的开发对于小麦黄矮病的防治具有重要意义。张增艳等学者研究发现小麦亲缘种——中间偃麦草对BYDV具有良好的抗性，该物种包含至少两个抗BYDV的基因，分别定位到第7组和第2组染色体上，其中精准定位在中间偃麦草7X染色体上的一个抗性基因被命名为Bdv2[49-50]，在此研究基础上，利用各种杂交技术培育出了多个抗小麦黄矮病小麦-中间偃麦草易位系，并在易位系YW462中检测到抗小麦黄矮病基因Bdv2的存在[51]。有研究人员以小麦抗黄矮病易位系YW462为主要材料，通过基因组学等方法获得了重要的抗BYDV候选基因TiRB，该基因的发现扩大了BYDV抗性基因的来源，为抗病品种的培育提供了更广阔的研究背景。除中间偃麦草外，还发现小麦的近缘种-多枝赖草，对于小麦黄矮病具有较高的抗病性，通过进一步实验发现多枝赖草与普通小麦的杂交后代Line24对BYDV-GAV具有良好的抗病性。也有学者发现小麦近缘种-无芒中4也是BYDV-GAV的一种良好抗源[52-53]。

近年来，分子标记技术不断创新进步，分子标记对于抗病基因的确定、抗病基因的导入、抗病品种的培育和新品种的抗性鉴定具有重要作用，兴起的SSR、RFLP、RAPD等标记技术已被广泛应用于抗病基因的筛选与定位[54-55]。传统的抗病基因鉴定方法主要为表型鉴定，但该方法存在一定的局限性，无法准确及时的表达该抗性基因。其他分子技术如PCR标记、RFLP标记等分子水平的标记鉴定虽能准确鉴定抗病基因的存在，但分子水平的标记鉴定技术要求水平较高、鉴定程序较为繁琐，对于抗病品种的鉴定培育存在一定困难。此外，抗病基因导入进鉴定标记后能否一直存在，是否会丢失仍需要进一步研究确定。

4 问题与展望

目前，对于BYDV-GAV各蛋白功能的研究还有部分欠缺，如蛋白P6的功能到目前为止尚不明确。且各蛋白干涉载体的建立以及其单克隆抗体的制备都具有一定的研究前景[56]。

BYDV-GAV虽为我国的主要流行株系[14]，但我国BYDV株系较多，对于各株系间的鉴定除血清学鉴定、分子鉴定等方式外未开发更简便有效的鉴定方式。

BYDV对麦类作物为害严重，植物发病对应着防治，因此对该病害的防治也是目前最为紧要的任务。“预防为主，综合治理”的植保方针同样适用于病毒病害的防治，有害生物综合防治是病害防治的重要理念，农业、物理、化学、生物等的综合应用可有效预防病害的发生为害[57]。对于小麦黄矮病的防治除利用选育抗病性较高品种、选育各种易位系及附加系外，还可利用化学防治中杀虫剂与病毒必克的混用喷施，但化学防治对生态环境造成一定程度的污染，因此新型无污染药剂的研究也是小麦黄矮病防治的一项突破。在抗病品种培育方面，截至目前未在小麦属内发现BYDV-GAV的抗性基因，确定的主要抗性基因Bdv2来源于小麦亲缘种-中间偃麦草[49-51]，因此小麦属内和小麦近缘种内抗性基因的鉴定仍是研究的一个重要方向。由目前小麦黄矮病抗病育种现状分析可见，筛选更多的抗性基因，拓宽抗性基因的来源，将筛选出的一个或多个抗性基因导入小麦中都是小麦黄矮病抗病育种的可选途径[28,58]。