两种优势病原菌玉米穗腐病的研究比较

程 璐，陈家斌，张艺璇，杨丹丹，谭 静

(云南大学 农学院，云南 昆明 650500)

玉米（Zea maysL.）属于禾本科（Gramineae）玉蜀黍属（Zea），为中国三大粮食作物之一，是中国的一种外来作物，中国最早关于玉米的文献出现在1511 年的《颍州志》中[1-2].玉米不仅是中国最重要的粮食作物之一，也是重要的动物饲料、能源植物和工业原料[2].作为仅次于美国的世界第二大玉米生产国，中国2019 年玉米产量高达26 077.9 万t（http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2020/indexch.htm）.

作为一种适应性很强的作物，玉米在包括海拔最高的西藏在内的中国各地均有生长.由于不同种植区域复杂的地理条件和气候，导致在玉米种植生产的各个时期存在多种病虫害[2].其中，玉米穗腐病是玉米种植生产中最为严重的病害之一，会引起玉米品质下降，导致减产，甚至引发食品安全问题.在中国的玉米种植区，玉米穗腐病在一般年份的发病率通常为5%～10%，严重年份发病率达30%～40%，感病品种发病率高达50%[3].因此，玉米穗腐病的研究对中国农业经济具有重要的意义.

1 玉米穗腐病的概况

1.1 玉米穗腐病的发现及病原菌种类1946 年，Ullstrup[4]在美国首次报道了玉米灰色穗腐病，并发现该病由玉米座腔菌（Botryosphaeria zeae）引起.之后，该种穗腐病又于1978 年在南非被发现[5].1982 年，Kumar 和Shetty[6]发现了由绿色木霉（Trichoderma viride）引起的玉米灰色穗腐病.1987 年，国内潘惠康和张兰新[7]首次报道玉米穗腐病的主要致病菌为串珠镰孢菌（Fusarium moniliforme），该菌名称于2003 年更名为拟轮枝镰孢菌（Fusarium verticillioides）[8].迄今，玉米穗腐病已成为世界范围内一种严重的玉米病害，已鉴定出玉米穗腐病的病原菌40 余种，主要包括镰孢属（Fusariumspp.）、青霉属（Penicilliumspp.）、木霉属（Trichodermaspp.）和曲霉属（Aspergillusspp.）真菌等，镰孢属（Fusariumspp.）真菌为玉米穗腐病的主要病原菌[3,9].

只有明确引起玉米穗腐病的优势病原菌，并对其深入研究，才能有效预防玉米穗腐病的发生，减少病害带来的产量损失.研究表明，国外引起玉米穗腐病的病原菌优势种主要为禾谷镰孢菌（Furasium graminearum）和赤霉菌（Gibberella fujikuroi），而国内主要以拟轮枝镰孢菌为优势种，禾谷镰孢复合种（Fusarium graminearumspecies complex，FGSC）为次优势种，其中禾谷镰孢复合种主要包括禾谷镰孢菌、南方镰孢菌（Fusarium meridionale）和布氏镰孢菌（Fusariumboothii）等，禾谷镰孢菌作为禾谷镰孢复合种的优势菌，相比其他镰孢菌分布更广泛、致病性更强[8,10-11].

拟轮枝镰孢菌和禾谷镰孢菌均属于半知菌亚门，而拟轮枝镰孢菌的有性态滕仓赤霉（Gibberella fujikuroi）和禾谷镰孢菌的有性态玉蜀黍赤霉（Gibberella zeae）则同属于子囊菌亚门[12-13].拟轮枝镰孢菌和禾谷镰孢菌作为国内玉米穗腐病的优势病原菌，二者在形态特征和分布范围上均有明显区别.禾谷镰孢菌在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上生长速度较快，菌丝呈红色至黄色的絮状，产生子囊孢子和分生孢子，培养基背面呈深红色；拟轮枝镰孢菌在马铃薯葡萄糖琼脂培养基上的菌丝呈白色至紫色的细长态，主要产生小型分生孢子，培养基背面呈深紫色[12-13].拟轮枝镰孢菌在国内主要分布于北京、内蒙古、吉林、黑龙江、辽宁、宁夏、山东、河南、河北等北方省份，而禾谷镰孢复合种中的优势种禾谷镰孢菌则广泛分布于国内各大玉米产区[10].

1.2 玉米穗腐病的危害玉米穗腐病在中国发生普遍，各大玉米产区均广泛发生.其主要发病于玉米生长后期和储藏期，病征主要位于果穗，在苞叶、穗轴、花丝和籽粒上也有发生.发病症状较轻时仅苞叶和籽粒变色；发病症状严重时，籽粒变形严重，颗粒不饱满，甚至整个籽粒被菌丝体充满，苞叶也因菌丝的粘附粘连在果穗表面不易剥离，导致玉米籽粒腐烂，对中国的玉米品质和产量造成严重的影响[14].

由两种优势病原菌引起的玉米穗腐病在症状及其危害上亦有明显差异.由拟轮枝镰孢菌引起的玉米穗腐病发病程度受环境影响较小，病症表现为玉米籽粒皱缩，表面有很厚的白色霉层，染病籽粒内部中空，极易破碎，果穗与苞叶粘连在一起[15-16]；拟轮枝镰孢菌还会产生伏马毒素（fumonisin）、镰孢菌素C（fusarin C）、T-2 毒素（T-2 toxin）和串珠镰孢菌素（moniliformin）等多种严重危害人类和动物安全的代谢毒素.在国际癌症研究机构公布的2B类致癌物清单中的伏马毒素，不仅会引起禽类免疫力下降、猪肺水肿、马心血管系统损伤等，还可能诱发人类神经管型缺陷、食管癌等疾病，对人畜健康和食品安全产生巨大威胁[9,17-19].由禾谷镰孢菌引起的玉米穗腐病发病程度受环境影响较大，病症表现为玉米果穗与苞叶粘连在一起，果穗顶部有粉红色霉层出现，籽粒间存在大量红色、灰白色的菌丝[15-16]；禾谷镰孢菌还会产生雪腐镰刀菌烯醇（NIV）、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）及其衍生物3ADON 和15ADON 等多种有害毒素，其毒素化学型以15ADON 为主[20-21].DON 主要影响动物的肠道和免疫系统，会降低猪的体重增长速度、引起猪的抗拒综合征、危害猪的肝功能等，对人类健康也有一定影响，可导致人中枢神经功能系乱、呕吐、头痛和腹泻等病症[20].被这些病原菌的代谢毒素污染过的玉米一旦成为动物饲料或人类食物，将沿着食物链和食物网对人畜健康、生态安全造成巨大的威胁.

1.3 玉米穗腐病的发病机制引起玉米穗腐病的病原菌以菌丝体、子囊孢子或分生孢子的形式在玉米秸秆、籽粒、穗轴、根茬或田间杂草上越冬.次年，在春季多雨潮湿的环境下开始繁殖，玉米在苗期至成熟期以及收获后果穗或籽粒的储藏期均可被侵染，发病严重程度受气候、环境条件、虫害、玉米品种、种植期的田间管理和收获后果穗与籽粒贮藏条件等多种因素影响[22-23].近年来，随着中国秸秆还田技术和玉米与其他作物轮作制度的推行，导致引起玉米穗腐病的病原菌在土壤中大量积累，并循环侵染玉米植株，使玉米穗腐病的发生逐年加重.

引起玉米穗腐病的病原菌一般通过以下3 种方式侵染玉米：一是通过外部侵染玉米花丝，经花丝侵染籽粒；二是由根部开始侵染，然后经过输导组织传到玉米穗轴，进而侵染籽粒；三是玉米害虫蛀蚀籽粒造成伤口，病原菌从伤口侵入[24].拟轮枝镰孢菌可通过以上3 种方式侵染玉米，而禾谷镰孢菌则主要通过花丝和伤口侵染玉米[25].有研究称虽拟轮枝镰孢菌和禾谷镰孢菌均能沿玉米植株体内向上侵染，但拟轮枝镰孢菌能沿植株体内侵染到果穗，而禾谷镰孢菌只能扩展到植株的2～3 节间，且侵染速度明显慢于拟轮枝镰孢菌[26].

2 玉米穗腐病的抗性研究

2.1 玉米穗腐病的接种方法目前，对于玉米穗腐病病原菌的人工接种方法有很多，实验室研究大都采用半粒法接种病原菌，把每个果穗的籽粒剥离，并沿中线切开，每半籽粒在病原菌的孢子悬浮液中浸泡以侵染接种.大田研究主要采用针刺果穗法、牙签接种法和颗粒接种法，其中以针刺果穗法为主.由于拟轮枝镰孢菌和禾谷镰孢菌侵染方式的不同，接种方式略有差异.采用针刺果穗法接种拟轮枝镰孢菌时，用注射器将病原菌的孢子悬浮液注射到玉米果穗的中部；而接种禾谷镰孢菌时，则注射到果穗的花丝丛中.采用牙签法接种拟轮枝镰孢菌时，将带有病原菌的牙签插到玉米籽粒与穗轴间；而接种禾谷镰孢菌时，则从果穗的花丝处插入.采用颗粒接种法接种拟轮枝镰孢菌时，把带有病原菌的玉米籽粒置于果穗与中部的苞叶之间以侵染果穗；而接种禾谷镰孢菌时，则置于果穗与顶部的苞叶之间[16].

以上玉米穗腐病病原菌的接种方法中，针刺果穗注射法更利于病原菌致病，鉴定结果较理想，适合大面积接种病原菌的大田试验.半粒法更适合以各种组学为基础的对穗腐病分子层面的研究，该方法能够使病原菌直接接触胚与胚乳，确保玉米籽粒在病原体侵染后均匀而快速地诱导相关基因的表达.

2.2 玉米穗腐病的抗源鉴定优良抗病品种的选育是防治玉米穗腐病最根本的措施，因此，抗源鉴定是进行玉米穗腐病抗病研究和育种的基础.针对国内分布广泛的拟轮枝镰孢菌穗腐病，研究者们开展了一系列的玉米抗性鉴定工作.马秉元等[27]对包括29 份自交系和34 份杂交组合在内的63 份玉米材料进行玉米穗腐病的的抗性检测，鉴定出26份抗性突出的杂交组合与19 份抗性突出的自交系.陈威等[28]对国内90 份自交系进行玉米穗腐病的抗性鉴定，筛选出15 份高抗材料和7 份中抗材料，并发现先锋公司育成的78 599 和78 698 等玉米杂交种的衍生自交系具有较好的抗性.谢敏[29]对四川省的138 个玉米主栽品种进行玉米穗腐病的抗性鉴定，筛选出7 份高抗玉米品种.邹成佳等[30]对引进的114 份自交系进行玉米穗腐病抗性评价，鉴定出78 份中抗以上的自交系，占供试材料的68.5%，得出国外引进的玉米品种中有丰富的抗玉米穗腐病种质资源.王昭等[23]通过对164 份国内外玉米自交系的穗轴进行抗性鉴定，筛选出58 份穗轴高抗自交系和8 份籽粒与穗轴均抗玉米穗腐病的自交系.Pascale 等[31]对29 个杂交种进行抗性鉴定，结果表明品种Mona 的抗性最强.Balconi 等[32]对34 个意大利和6 个共用的自交系进行了抗性鉴定，发现意大利玉米种质是抗穗腐病的有效抗源.

对次优势种禾谷镰孢菌穗腐病的抗性研究也有不少的报道.李晓鸯[33]对辽宁省352 个玉米品种进行玉米抗穗腐病品种的鉴定，结果表明参试品种中有11%的品种表现为高抗，62%的品种表现为抗病，参试品种总体呈现较高的抗性水平.刘怀宇[34]对13 个玉米主栽品种和12 个玉米自交系进行玉米穗腐病抗性鉴定，筛选出高抗玉米品种4 份和高抗玉米自交系4 份.席靖豪[25]鉴定了黄淮海地区314 个玉米新品种对穗腐病的抗性，筛选出48 个高抗品种.杨俊伟等[35]对2016—2019 年间山西省品种比较的参试玉米杂交种进行玉米抗穗腐病的鉴定，得出参试品系中有42 个高抗品种.Reid 等[36]对一些玉米的杂交种和自交系进行玉米穗腐病的抗性鉴定，结果表明玉米杂交种Pride K127、Pioneer 3 953 和自交系CO272、CO325 表现出较强的抗性.

玉米穗腐病的抗源鉴定不仅丰富了中国玉米抗穗腐病的种质资源库，也为玉米抗穗腐病品种的选育奠定了基础，提供了可利用的材料.虽然国内外已鉴定出一些对拟轮枝镰孢菌穗腐病、禾谷镰孢菌穗腐病有抗性的玉米品种，但大都是抗单一病原菌穗腐病的玉米材料，而引起穗腐病的病原菌种类繁多，在生产实践中穗腐病常常由多种病原菌所致；而且穗腐病的发病还受种植环境和气候条件等因素的影响，这些品种能否在生产上推广和应用尚不明确.因此，对于稳定多抗的玉米穗腐病抗源品种的筛选研究仍需加强.

2.3 玉米穗腐病的抗性遗传及其基因定位国内外学者的研究表明，玉米对穗腐病的抗性由数量基因控制，不仅有加性效应，也有显性效应[37].研究玉米对穗腐病的抗性遗传机制，并将发掘与定位到的玉米抗性基因导入到目标玉米材料中，对培育优良的抗病玉米品种（系）有重要的意义.因此，开展了一系列针对玉米穗腐病抗性基因的数量性状位点（QTL）的定位研究.

对禾谷镰孢菌玉米穗腐病抗性基因方面的研究偏少，张叶[16]通过全基因组关联分析对禾谷镰孢菌穗腐病抗性基因进行挖掘，在玉米10 条染色体上均发现与禾谷镰孢菌穗腐病抗性相关的SNP的分布，其中有9 个SNP 位于基因上.Reinprecht等[38]利用基因芯片技术获得了近百个与玉米禾谷镰孢穗腐病抗性相关的基因，其中一些稳定表达的基因被应用成为与禾谷镰孢菌穗腐病抗性 QTL 共分离的标记，为分子育种提供借鉴.Xiang 等[39]对87 个定位到的抗禾谷镰孢菌、拟轮枝镰孢菌和黄曲霉穗腐病的 QTL 进行分析，共发现29 个 meta-QTL，定位于第3 号和第4 号染色体上的6 个meta-QTL 有望用于玉米穗腐病的抗性育种.Ge 等[40]分析了玉米中2-oxoglutarate-dependent dioxygenase(2OGD)家族基因，找出了受禾谷镰孢菌和拟轮枝镰孢菌诱导的分别参与乙烯生物合成、黄酮生物合成和生物碱生物合成的3 个基因ZmACO、ZmF3H和ZmNCS，这3 个基因的启动子中也包含受禾谷镰孢菌和拟轮枝镰孢菌诱导的转录因子ZmDOF 和ZmHSF 的结合位点，结果表明这3 个2OGD基因和2 个转录因子可能参与了玉米抵御这两种病原菌的抗性机制.Wang 等[41]揭示了拟南芥中的AtALA1基因，可通过介导囊泡运输，将禾谷镰孢菌产生的真菌毒素DON 从质膜运输到液泡中进行降解，在玉米中外源过表达AtALA1基因后，发现转基因玉米植株对禾谷镰孢菌的抗性显著提高，籽粒中DON 的浓度也大大降低.

对拟轮枝镰孢菌穗腐病抗性基因方面的研究比较多，张帆等[42]用230 个F2:3家系和前期构建的遗传图谱在两点穗腐病抗性鉴定的基础上进行QTL 研究，共鉴定出位于玉米第1、2、3、4、6、7和9 号染色体上的10 个抗性QTL，其中2 个QTL在两地同时被检测到、表型贡献率大于15%.韩娅楠[43]对来源于玉米自交系N6、熊掌、西502 和BT-1 的衍生群体进行穗腐病抗性QTL 定位，发现位于第4 号染色体上籽粒抗性QTL 在两个群体中稳定存在，经验证该QTL 同时也具有穗轴抗性，且抗病效应显著.王宝宝[14]以玉米自交系掖478 和齐319 构建的300 份F11重组自交系在不同的三地进行穗腐病抗性QTL 检测，发现三地均在玉米第1 号染色体上检测到了抗性QTL 位点，且该QTL的LOD 值和表型贡献率均偏高.Ding 等[44]利用包含187 个玉米品系的重组自交系群体于两年两地进行穗腐病抗性QTL 定位，利用复合区间作图和混合模型法鉴定出两地均位于3 号染色体上的2个抗性QTL，其中具有最大抗性效应的QTL 位于标记umc1025和umc1742之间，解释了13%～22%的表型变异.Zila 等[45]利用全基因组关联分析的方法鉴定了3 个与抗拟轮枝镰孢穗腐病显著相关的SNP，位于玉米第9 染色体上的SNP 位于纤维素合成酶类家族A/甘露聚糖合酶基因的内部，而在第1 和5 染色体上的2 个SNP 分别位于1 个未知功能基因的内部和热激蛋白HSP60 附近.Maschietto 等[46]利用抗病玉米材料CO441 和感病玉米材料CO354 构建了188 个F2:3家系的群体，2 a 共鉴定出15 个抗性QTL，结合前期转录组数据共找到24 个抗性候选基因.Yao 等[47]利用全基因组关联分析和转录组分析，对由309 份玉米自交系组成的关联群体进行穗腐病抗性基因的筛选，获得34 个与穗腐病抗性显著相关的SNP，并在其上下游100 kb 区间内找到69 个候选基因，其中有21个基因在抗感玉米材料的转录组中差异表达.

上述抗穗腐病基因位点或相关基因的发掘与定位，对于解析玉米抗穗腐病分子机制、开展穗腐病分子抗性育种具有重要的意义.虽然国内外的研究已发掘定位了多个抗玉米穗腐病的QTL，但大多数的抗性QTL 贡献率低且受环境影响大，在不同环境下检测到的QTL 位点数和抗穗腐病效应有很大差异，能在不同环境下稳定表达的主效QTL并不多，要将这些抗性位点应用于育种实践还存在较大的距离[48].

2.4 玉米穗腐病抗性育种由于玉米对穗腐病的抗性为数量性状，需要位于不同染色体上的多个基因协同参与.如果采用常规育种技术将多个基因结合在一个优良自交系中，不仅周期长、效率低，而且由于连锁累赘效应，难免将一些不利性状的基因也带入自交系中.此外，带有不同抗病基因的植株对同一病原菌生理小种的浸染反应具有高度相似性，因此在田间很难选择多抗植株.随着现代分子生物学的发展，分子标记辅助选择育种得到了育种家的青睐，其原理是利用与目标基因紧密连锁的分子标记鉴定不同植株的基因型，从而进行辅助选择育种，大大提高了育种的准确性与效率[49].虽然国内外的研究已发掘定位了多个抗玉米穗腐病的QTL，但大多数的抗性QTL 贡献率低且受环境影响大，应用中缺少与抗性QTL 紧密连锁或共分离的实用性分子标记，且玉米感染穗腐病受到病原菌种类、种植密度、环境条件等多因素的影响，将这些抗性QTL 应用于玉米育种生产实践中还存在很大问题，所以育成的玉米穗腐病抗病品种并不多见[3].有报道Reid 等[50-52]培育出抗禾谷镰孢穗腐病的CO388、CO389、CO430、CO431、CO432 和CO4416 的6 个玉米自交系，这些自交系具有较高的抗性与良好的农艺性状，可用作玉米抗穗腐病品种选育的优质抗源.

3 展望

玉米穗腐病作为一种世界性的玉米病害，对世界各地玉米产区造成了严重损失，其不仅会导致玉米果穗、籽粒发生病变、腐烂而减产，影响农业经济，而且引起玉米穗腐病的病原菌会产生大量真菌毒素，对人畜的健康构成严重威胁.控制作物病害最经济和有效的措施是培育和种植抗病品种，而抗病品种的成效取决于抗源的获得和对抗病遗传机制的认识.稳定多抗的玉米种质是进行穗腐病抗性育种的基础和关键，但目前已报道的有关抗性种质筛选大多是针对单一致病菌进行的，而在生产实践中穗腐病常常由多种病原菌所致.目前已鉴定的玉米抗穗腐病的基因位点大都来源于温带种质背景，表型贡献率偏小、一致性偏差、精度不高，很难应用到育种实践中.热带和亚热带玉米种质中蕴藏着许多优良的特殊抗病基因位点，对这类基因位点的发掘和鉴定对于玉米品种的抗性改良至关重要.随着高通量基因型鉴定和测序技术的发展以及适用海量生物学数据分析方法和软件的完善，应用多组学联合解析植物复杂数量性状的分子遗传及其调控基因已成为可能.因此，在未来的研究中，应开展多菌种抗性鉴定、筛选具有抗多种病原菌穗腐病的玉米种质，同时应加强热带和亚热带玉米种质中抗病基因的发掘和利用，联合应用基因组、转录组以及代谢组等多组学分析手段，提高穗腐病抗性基因鉴定的效率，把受环境影响小、主效性强、能稳定表达的抗性QTL 通过转基因、分子标记辅助选择育种等方式应用到玉米抗性育种实践中，选育出抗病性强、农艺性状优良的玉米新品种，从根源上预防玉米穗腐病的发生.