芝麻对茎点枯病及枯萎病抗性的研究进展

王素华，张 璐，杨学乐，何录秋

（湖南省作物研究所，湖南 长沙 410125）

芝麻（Sesamum indicumL.）又名脂麻、胡麻[1]，隶属芝麻科芝麻属，是我国主要的油料作物之一，其种子含油率高达55%，并富含维生素、蛋白质和脂肪酸，在我国黄淮流域和长江流域一带广泛种植。芝麻病害的种类很多，但发生最多、危害最重的是茎点枯病和枯萎病[2]。芝麻茎点枯病常年发病率10%～20%，重病田块达80%以上，一般造成减产10%～15%，严重时减产80%以上，导致芝麻含油量下降4.2%～12.6%。枯萎病一般发病率5%～10%，严重时30%以上，且近年来危害日趋严重[3]。目前，由于缺乏广谱抗源而使芝麻抗病育种尚未取得突破性进展，而且芝麻产区重茬种植面积较大，病害发生普遍，造成芝麻品质和产量的下降[4]。

1 芝麻的抗病性鉴定

种植抗病品种是对抗病害最经济有效的方法，而对芝麻种质资源进行抗病性鉴定是抗病育种工作的重要环节。几十年来，我国科研人员利用茎点枯病和枯萎病抗性资源选育出许多抗病品种，但多数只抗一种病害，在生产中抗灾能力弱[5]。冯祥运等[6]从225 份资源中只找到1 份具有稳定耐渍性、茎点枯病和枯萎病抗性的多抗性资源。

1.1 芝麻茎点枯病的抗性鉴定

芝麻茎点枯病病原菌菜豆壳球孢[Macrophomina phaseolina(Tassi) Goid]是一种非专性寄生的土传、种传病原真菌[7]。该菌从芝麻苗期至成熟期均有危害，而后期发生较重，危害根部、茎部和蒴果，导致植株死亡[8]。

许多专家学者对芝麻种质资源进行了茎点枯病的抗性鉴定工作，筛选出一些具有明显抗性的芝麻品种。赵辉等[9]对129 份国内外芝麻种质资源进行茎点枯病抗性鉴定及评价，结果表明，未发现免疫类型，高抗品种和高感品种所占比例低，感病品种所占比例较大；两年抗性鉴定表现均在中抗以上的种质资源有6份。王建方[2]2011—2012 年对591 份芝麻种质资源进行茎点枯病抗性鉴定，得到高抗品种11 份，中抗品种55 份，抗病资源不足12%。周红英等[10]对52 份芝麻种质资源的抗性鉴定结果显示，没有茎点枯病免疫资源，感病种质37 份，抗病种质15 份，地方种质抗性优于改良品种（系）。江诗洋等[11]利用3 个不同来源的茎点枯病菌株对30 份芝麻苗期种质材料进行接菌试验，发现全部种质对武汉菌株和南阳菌株感病；有10 份种质抗性相对较好，可进一步利用。马昭才等[12]通过自然发病，鉴定了100 份芝麻种质资源茎点枯病抗性，结果表明，连续4 a 重茬地块平均发病率70.95%，平均病情指数55.81，并且品种（系）的发病率和病情指数均较农家种低；所有材料均有不同程度的感病表现，相对抗病材料11 份，感病材料79 份。可见芝麻茎点枯病抗病资源非常缺乏，而且研究主要停留在抗性材料筛选上，鲜有报道能深度解析抗性资源价值，为品种改良提供有指导意义的育种策略。

1.2 芝麻枯萎病的抗性鉴定

芝麻枯萎病是由尖孢镰刀菌芝麻专化型（Fusarium oxysporumf.sp. sesame）侵染引起的，芝麻在其全生育期均可被侵染[13]。20 世纪80 年代末我国率先对国内外2 040 份芝麻品种资源进行了芝麻枯萎病抗性鉴定，结果未发现免疫类型，高抗类型的材料29 份，抗病材料92 份[14]。H. Kavak 和E. Boydak[15]对来自土耳其东南部阿纳托利亚地区3 个不同省份的26 个芝麻品系进行了芝麻枯萎病抗性筛选，获得1 个感染率为6.6%的一级抗病品系Sanliurfa-63189。苏银玲[16]以“豫芝11”为对照，对169 份芝麻资源及品种进行枯萎病抗性鉴定，确定高抗品种16 份，抗病品种31 份，感病品种99 份，高感品种5 份。Badri Jyothi 等[17]从印度不同农业气候的地区获得35 份芝麻种质资源，在自然和温室条件下进行筛选，结果发现4 个高抗枯萎病的芝麻品种，发病率在13.1%～15.7%。Z.S. Ngamba等[18]从乌干达30 个推广品种、改良品种、引进品种中筛选出2 份中抗品种EM15-1-5 和Sesim2，发病率分别为37.3%和33.8%。枯萎病在芝麻全生育期均可发生，一旦发病难以防控，种植抗病品种和实行轮作是预防枯萎病的有效方法。

2 芝麻抗病相关蛋白

目前针对芝麻抗病相关蛋白的研究较少，但与其他植物一样，芝麻在与病原菌对抗的过程中进化出两套天然的免疫防御系统：病原相关分子模式激发的免疫反应（PTI）和效应蛋白激发的免疫反应（ETI）[19]。PTI 诱导植物产生非特异性的防卫反应（基础防卫反应）；ETI 则由植物的抗病蛋白（R 蛋白）识别病原微生物产生的效应蛋白引发，可使植物产生特异性的防卫反应[20]。科学家们对芝麻的ETI 开展了一些研究。

植物自身的免疫防御反应是非常错综复杂的，在受到病原菌侵害的时候，植物体内的防御反应激活并产生防御相关激素：水杨酸、茉莉酸、乙烯、脱落酸[21]。刘红彦[5]在豫芝11 幼苗与菜豆壳球孢互作过程中，发现3 个上调表达幅度较大的R 基因，这3 个基因均具有抗病相关基因的保守结构域，分别为脱落酸受体PYL4 类似蛋白、类甜蛋白和水杨酸结合蛋白2 类似蛋白。PYL 介导的脱落酸信号传导，在植物正常生长发育和逆境胁迫中起重要作用；茉莉酸和伤口均能诱导类甜蛋白的表达，其具有抗真菌活性；水杨酸结合蛋白2（SABP2）直接参与调控植物体内水杨酸水平，对激发植物系统抗性具有极其关键的作用。

在受到病原菌侵染之后，植物内的受体类激酶可以与内膜上的模式识别受体（PRRs）结合，发生一系列的磷酸化反应，例如活性氧的爆发[21]。氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）等是植物体内重要的防御酶，参与活性氧清除及酚类、木质素和植保素等抗病相关物质的合成，能抵御活性氧及氧自由基对细胞膜系统的伤害，增强植物对病害的抵抗能力[22]。刘莉铭[23]测定了接种芝麻枯萎病植株的POD、CAT、SOD、PPO 的活性，各酶的变化趋势与植株的病情指数存在对应关系，说明他们直接参与了抗病反应过程。

3 芝麻抗病基因的挖掘

我国芝麻抗性育种始于20 世纪80 年代，育种家们通过在田间鉴定成株期抗性反应，用数量遗传学方法对芝麻抗病性遗传进行了初步研究[24]。近十年来，分子标记技术被广泛用于芝麻抗病相关研究，目前报道最多的是标记-性状关联分析、抗病基因同源序列（resistance gene analogs，RGAs）分析、转录组分析等。

3.1 芝麻茎点枯病抗性基因的挖掘

张艳欣等[3]利用79 对EST-SSR、SRAP 和AFELP引物对216 份芝麻核心种质进行了基因组扫描，并连续3 a 对供试群体抗病性进行鉴定，在此基础上利用GLM（Q）和MLM（Q+K）模型通过关联分析共检测到43 个标记，它们与供试群体2～3 a 茎点枯病病情指数（DI）显著关联，对表型变异解释率在1.82%～9.46%；两种模型连续3 a 检测到标记M7E6-1，利用该标记优选出10 份对茎点枯病抗性稳定的载体材料。高树广[25]以26 份抗茎点枯病和4 份感茎点枯病芝麻材料为DNA 模板，扩增出128 条RGAs序列，经分析42 条序列为non-TIR-NBS-LRR 类芝麻RGAs。于沐[26]同样利用PCR 技术得到21 个RGAs基因，BLASTX 分析结果表明，21 个RGAs的部分编码蛋白序列与已知的含有NB-ARC 信号传导结构域的蛋白质、NBS-LRR 类型抗病基因的编码蛋白同源性为35%～52%。Debabrata Dutta 等[27]对抗感亲本及其F6 重组子进行转录组分析，共鉴定出26 880 个简单重复序列（SSR）、90 181 个单核苷酸多态性（SNPs）和25 063 个插入缺失（InDels）。Nidhi Radadiva 等[28]分析了2 个芝麻品种GT-10（抗病供体）和RT-373（感病供本）的转录组数据，GT-10 在接种24 h 时差异表达基因（DEGs）的数量远高于RT-373 接种48 h 时DEGs的数量；此外在抗性反应的GO 分析中找到3个特别的注释：ATP 结合、核糖核苷酸结合和核酸结合。Wenqing Yan 等[29]通过比较转录组学的方法获得一组与茎点枯抗性相关的核心基因，GO 分析表明它们与核糖体相关过程、果实成熟和茉莉酸介导的信号通路调控等有关；差异表达基因（DEGs）和差异表达蛋白（DEPs）的共表达网络分析表明富亮氨酸重复受体样激酶（LRR-RLK）蛋白可能在芝麻茎点枯抗病反应中起重要作用。陈燕华[30]借助转录组测序结果挑选出两个抗芝麻茎点枯病相关基因SiPYL4、SiTLP，并对其进行功能验证，结果表明SiPYL4、SiTLP基因在拟南芥抗菜豆壳球孢侵染过程中起关键作用。

3.2 芝麻枯萎病抗性基因的挖掘

牛姣姣[31]利用GLM-PCA 和MLM-PCA+K 两种模型对124 份芝麻的枯萎病抗性开展全基因组关联分析，两种模型同时检测到13 个与枯萎病病情指数稳定显著关联的标记，其中标记SNP170、SNP234 和SNP249 可能与枯萎病抗性显著关联。刘莉铭等[23]通过定量PCR 分析发现，在接种后，抗病品种豫芝11中POD基因的表达量从开始就有上调趋势，而感病品种冀9014 在24 h 后才上调表达，且前者表达量高出后者5 倍多。苏银玲[16]选用强致病性菌株对抗感供体材料幼苗进行枯萎病菌接种处理，分别取处理0、6、12、24 h 后的植株样本提取RNA 后进行EST 测序，结果显示，抗感表型基因表达差异较大的单基因有694 条。Yinghui Duan 等[32]利用枯萎病抗性亲本豫芝11 及其高感突变体玉芝11 杂交构建F2分离群体，并对从中选择的高抗和高感株系构建的抗感基因池进行重测序，获得了183 457 个SNPs 标记；抗感基因的关联分析和SNP 指数确定在第3 染色体1.22 Mb 区间内有227 个SNPs 与感病突变显著相关；进一步的关联分析发现，SiUTC115363基因中2 个SNPs 被确定为与枯萎病抗性直接相关；RNA-seq 和实时荧光定量PCR 分析表明，在侵染过程中，SiUTG115363的转录本被诱导和积累表达。

4 我国芝麻抗病育种的发展方向

世界芝麻主产国集中在亚洲和非洲，但各主产国的单产水平较低，中国是唯一挤身芝麻单产世界排名前十的主产国。而且我国芝麻的出口价格一直高于进口价格30%以上，证明我国芝麻品质要优于世界平均水平。近十年来我国芝麻产量水平和质量水平稳步提升，这得益于良种的普及和病虫草害的有效防控。未来我国芝麻抗病育种的主要研究方向仍是广谱抗病资源的筛选与利用，将资源优势转化为品种优势，满足产业发展需求。我国在20 世纪80 年代就开始了芝麻资源的收集、评价和保存工作，目前共保存芝麻资源4 251 份，但同时抗枯萎病、茎点枯病的广谱抗病资源不足10%[33]，双高抗资源更是少之又少。芝麻生产上应用的新品种来源单一，遗传基础狭窄，需要进一步挖掘广谱抗源以应对病原菌生理小种高速变异的选择压力。过去育种家们通过远缘杂交、聚合育种等方法选育出豫芝9 号、中芝11等优质高产抗病品种[34]，现在研究人员利用芝麻全基因组关联分析已开发出大量与抗病基因紧密连锁的分子标记，对目标基因进行选择；未来，分子标记辅助选择、基因编辑、体细胞融合、重离子诱变等技术将会越来越多地结合到传统育种中，极大推进芝麻抗病育种的进程。