甘蔗黑穗病研究进展

（云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室，云南开远 661699）

0 前言

甘蔗是热带和亚热带地区的重要经济作物，主要用于生产蔗糖、乙醇、生物燃料和纤维相关制品[1]。全球甘蔗种植国有100 多个，种植面积达2 610 万hm2，甘蔗产量约18.3 亿t[2]。我国种植面积仅次于巴西和印度[3]，主要蔗区包括广西中南部、云南西南部、广东西部和海南北部，这些产区位于北纬18.5°～32°和东经92°～122°[4]。甘蔗黑穗病是由甘蔗鞭黑穗菌引起的一种真菌性病害，严重造成植株生长受阻、有效茎减少、纤维含量增加、蔗糖含量降低[5-6]；使蔗株表现出叶细长、茎细小、分蘖增多和长出一条黑穗鞭症状[5]。2018年以来由于持续高温干旱的气候条件，为甘蔗黑穗病的发生流行提供了有利条件。云南主栽或主推品种田间自然发病率调查表明，感黑穗病品种的最低发病率为20%，严重发病率甚至达100%，造成甘蔗产业严重的经济损失。因此，为了科学防治甘蔗黑穗病，本文结合甘蔗黑穗病的发生、危害、病原、症状、遗传多样性、甘蔗对黑穗病菌的胁迫响应特点，为甘蔗黑穗病的有效防控提供理论参考和科学依据。

1 甘蔗黑穗病的发生及危害情况

甘蔗黑穗病（Sugarcane smut disease）又称甘蔗鞭黑穗病、甘蔗黑粉病[7]。该病最早于1877年在南非纳塔尔发现[8]，后来在夏威夷、台湾、巴西、阿根廷、佛罗里达、巴基斯坦和津巴布韦都有发生[5]。1940 年以前该病仅发生在东半球，1971年甘蔗黑穗病蔓延到美国夏威夷州，1978年在佛罗里达州发生，到目前为止除了新几内亚以外所有蔗区均有发生[5]。我国广东省首次报道了甘蔗黑穗病，中国台湾省已曾发生过几次大流行[5]。近年来，在广西、云南、广东、海南等主产蔗区普遍发生[5]。

不同时期的当家品种‘夏威夷H78-7750’、‘印度419’、‘台糖134’、‘川糖61-408’、‘桂糖11 号’、‘桂糖12 号’和当前主栽品种如‘新台糖22 号’、‘闽糖69-421’等因高度感染黑穗病而即将面临着被淘汰[5]。黑穗病的发生呈日趋加重之态势，特别在宿根蔗地上更为严重。黑穗病流行导致新植蔗区感病品种产量损失为39%～56%，宿根蔗区产量损失为52%～73%[9]。

2 甘蔗黑穗病症状、病原、遗传多样性及分子检测

2.1 甘蔗黑穗病症状

蔗株在生长初期幼芽顶端等易受黑穗病菌侵染[10]。蔗株被侵染后表现出分蘖增多[11]、蔗叶淡绿细长、顶叶尖挺、蔗茎细小和节疏等症状[12]。随着黑穗病菌的不断蔓延在梢头渐渐形成由植物组织和真菌组成不分支，方向朝下向内卷曲的鞭状物[13]。鞭状物早期为白色，2～4 个月后产生大量厚垣孢子，形成鞭长为数厘米到几十厘米不等的黑色鞭状物，6～7 个月黑鞭长度达最长[13-14]。成熟的孢子分布在黑色鞭状物的顶端，较成熟的孢子分布在黑色鞭状物的中部，未成熟的孢子分布在黑色鞭状物的基部[2]。

2.2 甘蔗黑穗病病原

甘蔗黑穗病是由担子菌纲（Basidiomycetes）孢堆黑粉菌属（Sporisorium）甘蔗鞭黑粉菌（Sporisorium scitamineum）引起的一种真菌性病害[2]。该病原菌在寄主体内属系统性寄生，除寄生于甘蔗外，还寄生白茅[5]。该病原菌基因组大小为19.8 Mb，编码6 677个蛋白[15]。甘蔗鞭黑粉菌最适温度生长范围是25～30℃，最适温度是28℃，生长相对湿度是80%以上；中性或偏酸性条件下有利于菌落生长，光照对菌落生长影响不大[16]。孢子主要靠气流传播，其次是灌溉水和雨水，某些昆虫亦是传病的媒介[2]。带病蔗种是远距离传播的来源和病区初次侵染的来源；感病的宿根蔗、带菌的土壤和田间感病杂草也是一些地区的菌种来源[17]。甘蔗鞭黑粉菌生命周期中存在3 个不同的阶段：单倍体孢子阶段、双核菌丝阶段和二倍体孢子阶段[15]（图1）。在适宜的环境条件下，冬孢子萌发形成双核菌丝体，双核菌丝体形成“＋”和“－”两种类型的单倍体孢子[15]，单独的“＋”或“－”单倍体孢子不能形成有侵染力的菌丝，只有“＋”和“－”交配型单倍体孢子结合才能形成具有侵染性的菌丝[15]。在这个过程中菌丝的融合与致病性分别受保守的基因位点a和b的调控[18]，因此，这两个位点的调控对黑穗病的发生和流行至关重要。

图1 甘蔗黑穗病菌生命周期发育阶段模式Fig.1 Life cycle development model of S.scitamineum smut

2.3 甘蔗黑穗病菌遗传多样性

甘蔗鞭黑粉菌存在生理小种分化的普遍现象。比如，夏威夷存在A 和B两个生理小种，巴西至少存在2个生理小种，巴基斯坦存在5 个生理小种[19]。20世纪90 年代曾报道我国存在2个生理小种，分别是小种1和小种2，其中小种1 是优势小种[20]，2001 年我国甘蔗黑穗病生理小种普查结果表明台湾有3 个，其它地方有2个[21]。DENG 等[22]2018 年报道我国大陆蔗区至少存在3 个不同致病力的甘蔗黑穗菌致病力分化类型或生理小种。另外，甘蔗鞭黑粉菌菌株遗传多样性分析表明，来自非洲和美洲的甘蔗鞭黑粉菌菌株属于同一个谱系，并且这个谱系在亚洲群体中也存在，表明亚洲是甘蔗黑穗病的起源[23]；广东蔗区30个甘蔗鞭黑粉菌菌株的遗传多样性与菌株的地理来源呈显著相关，与品种间的相关性不大[24]；我国6 个甘蔗产区（广西、云南、广东、海南、福建、江西）23个甘蔗鞭黑粉菌菌株可在属水平上划分，也可在近缘种间区分[25]，但与甘蔗（寄主）之间不存在协同进化的证据[26]。

2.4 甘蔗黑穗病菌分子检测

PCR技术以其快速灵敏的特征已广泛应用于黑穗病病原菌快速检测。沈万宽等[27]应用PCR 和巢式PCR进行甘蔗黑穗病菌早期检测。SU等[28]建立的TaqMan定量实时聚合酶链反应也可用于早期甘蔗黑穗病检测。ALBERT等[29]开发出特异性引物对bE4/bE8，SHEN等[30]用特异性引物对SL1/SR2 进行甘蔗黑穗病菌快速分子检测。SHEN等[31]还开发出特异性环介导等温扩增技术，根据F3/B3和FIP/BIP引物对的特异性检测甘蔗黑穗病菌是否存在。李海明[32]应用酶联免疫吸附测定法进行早期甘蔗黑穗病检测；SINGH等[33]用分生组织染色和光学显微镜技术可判断材料是否感染甘蔗黑穗病。这些检测技术实现了甘蔗黑穗病菌的高效和快速检测。

3 甘蔗对黑穗病菌的胁迫响应

3.1 甘蔗不同组织对黑穗病菌的胁迫响应

寄主植物不仅通过物理性结构防御响应甘蔗鞭黑粉菌的胁迫[6,34]，还通过不同组织生化物质含量的变化响应甘蔗鞭黑粉菌的胁迫（表1）。胼胝质沉积在甘蔗鞭黑粉菌菌丝侵染的细胞周围，抑制菌丝的侵染，这是典型的结构性防御[40]。糖苷类物质在芽鳞中积累抑制孢子的萌发和菌丝的生长[34]，果汁糖蛋白含量的变化影响孢子萌发的细胞质极性而抑制芽管产生和孢子萌发[35]，这些不同组织生化物质的变化是典型的生理生化响应。

表1 甘蔗不同组织对鞭黑粉菌的胁迫响应Table 1 Response to the stress of S.scitamineum in different part of sugarcane

3.2 甘蔗防御酶系统对黑穗病菌的胁迫响应

甘蔗鞭黑粉菌侵染甘蔗后，在健康和抗病甘蔗的汁液中检测到具有防御功能的精氨酸活性酶，而在感病品种的汁液中没有检测到[41]；发现抗病品种‘mayar55-14’、‘桂糖2号’、‘NCo376’和‘新台糖10号’苯丙氨酸解氨酶活性高于感病品种‘Barbados42231’、‘新台糖22 号’、‘F134’和‘FN83-0607’[42]；抗病品种‘崖城05-179’和‘桂糖28 号’的过氧化氢酶活性始终高于感病品种‘柳城03-182’和‘新台糖22号’[42]；抗性品种‘桂糖28 号’超氧化物歧化酶和多酚氧化酶活性高于感病品种‘新台糖22 号’[43]；抗病品种‘NCo376’和‘新台糖10号’酪氨酸解氨酶（TAL）、4-香豆酸辅酶A 连接酶活性上升幅度和持续时间显著大于高感品种‘F134’和‘FN83-0607’[44]；还发现抗病品种‘崖城05-179’的β-1,3-葡聚糖酶活性比感病品种‘柳城03-182’持续时间长[45]。以上结果表明防御酶系统酶活性与甘蔗抗感黑穗病水平有一定的关系。

3.3 甘蔗基因对黑穗病菌的胁迫响应

接种甘蔗黑穗病菌后，甘蔗相关基因以不同的表达方式和差异表达响应了甘蔗黑穗病菌胁迫。黑穗病病原菌192个毒力相关基因中31个在各个阶段均有表达，32个在甘蔗感病的不同阶段表达[10]，以及抗病品种‘崖城05-179’接种后48 h 抗病基因的表达显著高于对照24 h 和120 h 的表达，也超过感病品种‘新台糖22号’48 h 的表达[46]响应了黑穗病菌胁迫。甘蔗丝裂原活化蛋白激酶信号通路中3 个候选基因ScBAK1、Sc-Mapkk和ScGloI[47]，甘蔗相关酶基因的表达（表2）和木质素合成相关基因CCR、泛素介导的蛋白降解相关基因UCH-LE5、植物与病原菌互作相关基因GK、MLO、HIR1和乙烯途径相关基因EIL3等的差异表达也响应了黑穗病菌的胁迫[12]。

表2 甘蔗相关酶基因对黑穗病菌的胁迫响应Table 2 The responses to stress of S.scitamineum of relative enzyme genes of sugarcane

4 甘蔗黑穗病的防治

4.1 利用抗病品种

甘蔗黑穗病发病轻重与甘蔗品种的抗病水平有密切的关系，有研究表明感病品种比抗病品种更早、更容易产生大量孢子堆[51]；感病品种蔗芽的薄壁细胞易被菌丝穿透和破坏，而抗病品种没有内渗透现象，菌丝不能穿透和破坏薄壁细胞[51]。因此，抗黑穗病品种的使用是防控该病害有效的措施[52]。世界上甘蔗种植国如美国、古巴、印度、巴西、澳大利亚、法国以及我国等都把甘蔗黑穗病的抗性作为品种选择的一个主要目标[53]。因此，结合当地的环境条件选种抗性品种，中高抗黑穗病品种，如‘新台糖10号’、‘新台糖16 号’、‘新台糖20 号’、‘中蔗1 号’、‘中蔗6 号’、‘中蔗9 号’、‘粤糖86-368’、‘粤糖93-159’、‘粤糖00-236’、‘粤糖00-318’、‘桂糖02-901’、‘桂糖29号’、‘桂糖31 号’、‘云蔗01-1413’、‘云蔗03-194’、‘云蔗03-258’、‘云蔗06-80’、‘云蔗08-2060’、‘云蔗05-51’、‘福农91-21’、‘福农15 号’、‘福农36 号’、‘福农0335’等的选用是甘蔗黑穗病防治的主要途径[54-57]。

4.2 农业防治

下种前施足基肥，适时灌溉，及时施肥培土，合理施用氮、磷、钾肥，促使蔗苗生长健壮，增强蔗株的抗病力。蔗田带菌的枯叶、残根、残茎和土壤是次年的主要初侵染源，病菌经传播扩散后会对蔗芽进行侵染为害，因此要及时拔除病株，并集中烧毁，减少重复侵染源，控制扩展蔓延。加强甘蔗与水稻、玉米、甘薯、花生、大豆和苜蓿轮作，减少黑穗菌病原的长期侵染和积累，减轻病害的发生[4]。

4.3 化学农药防治

在实验室中，2.5 mg/L 五氯硝基苯和2.5 mg/L 二癸基二甲基氯化铵、50 mg/L 丙环唑、100 mg/L 三唑酮和200 g/L 环唑醇能显著降低甘蔗黑穗病菌孢子萌发[58-59]；250 g/L 嘧菌酯悬浮剂、250 g/L 苯醚甲环唑乳油、300 g/L 苯醚甲环唑·丙环唑乳油、325 g/L 苯醚甲环唑·嘧菌酯悬浮剂和250 g/L 丙环唑乳油等药剂对甘蔗黑穗病有良好的防治效果[60]。在田间试验中，种苗用2%～3%石灰水浸种24 h，52℃热水浸种20 min，40%拌种双可湿性粉剂、40%拌种灵可湿性粉剂、25%三唑酮可湿性粉剂、80%代森锰锌可湿性粉剂、2.5%扑力猛悬浮种衣剂500～800倍液浸种10 min，有一定的防治效果；若用50℃热水浸种2 h可彻底防除[61]。

4.4 生物农药防治

有报道称4 种真菌Fusarium moniliforme[Gibberella fujikuroi]var.subglutinans、Aspergillus niger、A.flavus和Penicilliumsp.对甘蔗黑穗病菌冬孢子萌发具有抑制作用[62]；廖咏梅等分离到的细菌菌株中有极少数对黑穗病菌有强的拮抗能力[63]；从甘蔗根际分离出细菌菌株ST4能够阻断甘蔗鞭黑粉菌有性配合[64]。芽孢杆菌属细菌BGMRC03005 对3 种鞭黑粉菌形态均有抑制作用[65]。到目前为止，未见这些生物药剂在田间防控甘蔗黑穗病的有效报道。因此，在生物防治方面的工作还需进一步深入研究。

5 展望

国内外专家和学者在甘蔗黑穗病的发生与危害、病原与寄主互作、防治方面的研究取得了颇多成果。但是以下几个方面还需更进一步的探索：（1）明确生理小种分布。病原菌致病性和生理小种分化现象普遍存在，即不同蔗区存在不同的生理小种，不同小种对相同的甘蔗品种有不同的致病力，不同的甘蔗品种对相同黑穗病菌的抗病力也有很大的差异。明确生理小种的分布情况对于黑穗病的防治和抗病品种的选育至关重要。（2）不同轮作方式分析。甘蔗与水稻、玉米、甘薯、花生、大豆和苜蓿轮作，虽然减轻了病害的发生，但是其机理的解释，发生规律的探索还需要进一步深入。甘蔗与其他农作物轮作是否也具有这样的效果仍需研究。（3）抗黑穗病基因应用。通过农杆菌介导转化法或基因枪转化法导入抗鞭黑穗病基因，提高抗鞭黑穗病基因的表达；利用基因甲基化或RNA 干扰等技术沉默甘蔗鞭黑穗病菌致病基因的表达，提高甘蔗植株的抗黑穗病能力。（4）新型生物农药研发。化学农药的使用造成土壤、水源的污染，同时也威胁到人类的健康。而生物农药的使用对人和环境影响小、对农产品污染小、还有利于保护有益昆虫。因此，挖掘具有抑菌功能的生化物质和筛选具有拮抗作用的真菌和细菌对黑穗病防治具有重要的意义。