甘薯根腐病研究进展

梅玉琴, 雷 剑, 王连军, 柴沙沙, 靳晓杰, 程贤亮, 杨新笋*, 朱国鹏

(1.湖北省农业科学院 粮食作物研究所/湖北省甘薯工程技术研究中心/粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室,湖北 武汉 430064; 2.海南大学 园艺学院/海南省热带园艺作物品质调控重点实验室,海南 海口 570228)

甘薯属旋花科番薯属,营养丰富,是世界第7大粮食作物,也可用作饲料、工业原料和生物质能源[1-2]．中国是世界上最大的甘薯种植及生产国,年种植面积稳定在4×106hm2左右,占全球总种植面积的57%,产量高达22 500 kg/hm2[3]．近年来,我国甘薯病虫害出现加重趋势,甘薯根腐病尤为突出,在山东、河北、河南、江苏、安徽、湖南、湖北、陕西等多个省份发病较重[4]．甘薯感染根腐病后,根茎部会变黑腐烂致使产生的薯块少而小或不能形成薯块,导致甘薯块根产量和品质下降．本文从甘薯根腐病病原菌特征、分子鉴定方法、发病规律及甘薯响应根腐病病原菌侵染机制和根腐病防治方法等多个方面进行综述．

1 甘薯根腐病病原菌特征、鉴定及发病规律

1.1 病原菌特征

甘薯根腐病是由多种镰孢菌引起的真菌病害,主要病原菌为半知菌亚门的腐皮镰孢甘薯专化型(Fusariumsolanif.sp.batatasMcClure,简称FSB),也叫茄病镰孢菌[5]．此外,尖孢镰孢菌(F.oxysporum)[6-7]、腐霉菌(Pythiumultimum)[8]、爪哇镰孢(F.javanicumKoord)[9-10]等也能引起甘薯根腐病．病菌生长温度为21～29 ℃,最适温度27 ℃左右．这些病原菌形态相似度高,在田间不易区分,需要结合其形态学和生物学特征进行比较(表1)．

表1 甘薯根腐病病原菌特征比较Tab.1 Comparison of pathogen characteristics of sweetpotato root rot

1.2 病原菌的分子鉴定

病原菌会不断进化产生不同的生理小种,而通过形态学和致病性等传统方法很难鉴定,须借助分子生物学手段进行精准鉴定．具体步骤为:利用真菌用通用引物ITS1(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)和ITS4(5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)对甘薯根腐病病原菌核糖体DNA模板——rDNA-ITS序列进行PCR扩增和测序,所得序列与GenBank中已知的ITS序列进行同源性分析[18]．

银玲等[19]采用分子生物学和柯赫氏法则验证技术,对引起内蒙古甘薯根腐病的病原菌进行了分离鉴定,首次报道了引起内蒙古甘薯根腐病的致病菌——腐霉菌．李凌燕等[20]利用分子生物学鉴定方法,对北京市大兴区的甘薯根腐病病原菌进行了鉴定,结果表明,引起大兴区甘薯根腐病的病原菌为尖孢镰刀菌．Yang等[21]首次报道了甘薯根腐病在韩国发生,并利用rDNA-ITS序列和翻译延伸因子(EF1-α)基因序列对7种病样分离物进行分子鉴定,证实该菌株为茄病镰刀菌．雷剑等[22]通过分子生物学检测手段,对湖北省甘薯主产区的根腐病病原菌进行了鉴定,确定茄病镰孢菌是引起湖北省甘薯根腐病的主要病原菌．

1.3 发病规律

甘薯根腐病为土传病害[23],主要通过土壤传播,田间扩展依赖于水流和耕作活动．残留在田间的病体也是根腐病的主要感染源．一般沙土地保肥保水差,植株生长衰弱发病较重;黏性、肥沃土壤发病轻;轮作病轻,连作病重[24-25]．

苗期,甘薯感病后,出苗率低、出苗晚,根部顶端或中部会出现暗褐色斑点,严重的不断腐烂,导致地上部的植株株型矮小,生长缓慢,叶片逐渐变黄,直至幼苗死亡[26]．

田间阶段,甘薯植株感病后根尖发黑,向根茎扩散,形成暗褐色斑点,根茎表皮纵裂,皮下组织发黑.轻者,地下茎能在靠近地面的地方长出新根,虽能长出薯块,但块茎小[27-28];重者,地下根茎变黑腐烂,地上部分枝少,节间短,植株呈直立生长,叶片小而硬,自下而上逐渐变黄、干枯脱落,甚至全株枯死[29]．

感病薯块表皮粗糙,覆盖着许多大小不一的暗褐色斑点．发病初期染病薯块表皮未破裂,中晚期皮下组织变黑,表皮纵横龟裂,取染病薯块煮食,无硬心和异味[30]．

2 甘薯响应根腐病病原菌侵染机制

FSB侵染甘薯后可诱导甘薯内源激素脱落酸(ABA)和赤霉素(GA1/3)发生变化[31]．ABA具有诱导蛋白贮存和淀粉合成的作用,能够促进植物成熟,加快植株开花的速率;GA1/3能够诱导α淀粉酶的活性,加快淀粉水解,达到抑制植株花芽分化的效果．部分甘薯品种在感染FSB后,被病原菌诱导合成的激素以及FSB代谢产生的ABA,激发植株细胞内的非甲瓦龙酸途径启动,通过诱导该途径的5-磷酸脱氧木酮糖合成酶基因(dxs)、5-5-磷酸脱氧木酮糖还原酶基因(dxr)、2-甲基赤鲜糖醇4-胞苷二磷酸激酶基因(cmk)等,合成ABA和GA1/3等多种萜类化合物,促使甘薯植株的叶片、茎尖和根部组织的ABA含量显著升高.ABA最早在根部出现,但茎尖中积累浓度最高,同时，叶片、茎类和根部组织GA1/3含量显著降低[32],致使染病植株出现现蕾开花、甘薯藤蔓生长速度缓慢、植株生长矮小且直立、发黄叶片增多等症状．

IbSWEET10转运蛋白参与甘薯对尖孢镰刀菌的抗性[33]．IbSWEET10编码一种蔗糖转运蛋白,并在甘薯植株的糖转运中起重要作用．甘薯在感染尖孢镰刀菌后,IbSWEET10的表达水平显著上调,含糖量显著降低．过表达IbSWEET10降低茎叶中糖含量,从而抑制病原菌的增殖．同时,过表达IbSWEET10甘薯植株茎具有紧密排列的细胞结构,会阻止尖孢镰刀菌的入侵和传播,从而增强甘薯对尖孢镰刀菌的抗性．

3 甘薯根腐病抗性遗传及分子标记开发应用

甘薯根腐病的抗性遗传稳定,主要以基因加性效应控制[34]．分子标记已应用于甘薯根腐病抗病基因的挖掘,2011年,苏文瑾等[35]首次采用分离群体混合分析法(bulked segregant analysis,BSA)与AFLP技术相结合的方法,定位与甘薯根腐病相关的分子标记,定位到一个与感病基因连锁的显性标记Eco(45)-Mse(45)．2020年,SSR标记首次被用于构建了紫甘薯(济紫薯1号)的遗传连锁图谱,并首次发现与甘薯根腐病抗性相关的QTL[36]．该研究以济紫薯1号与龙薯9号杂交的300个单株为材料,利用SSR标记构建了甘薯遗传连锁图谱,定位到7个与甘薯根腐病抗性相关的QTL(qRRM_1～qRRM_5,qRRF_1、qRRF_2)．

4 甘薯根腐病的防治措施

4.1 化学防治

生产上主要在甘薯根腐病发病初期使用质量分数为70%的甲基硫菌灵WP 800～1 000倍液,或质量分数为50%的多菌灵WP 500倍液,或质量分数为33.5%的喹啉铜(必绿二号)SC 1 500～2 000倍液喷雾[37]．

试验条件下,咪鲜胺锰盐[7]、辣根素、寡雄腐霉药剂[38]、质量分数为98%的棉隆微粒剂[39]对甘薯根腐病都具有一定的抑制作用,可以在一定程度上防治甘薯根腐病．还有研究发现,连续使用氯化苦对土壤进行消毒可以解决甘薯生产中根腐病连作障碍[40-41]．

4.2 生物防治

践行绿色发展理念,生物防治不失为一种更安全、有效的选项．枯草芽孢杆菌[7]、丛枝泡囊菌根菌[42]、恩益碧 (NEB,含丛枝泡囊菌根菌)等生物抑菌剂均可起到控制甘薯根腐病病情的作用．

甘薯根腐病菌对四霉素高度敏感[39],四霉素具有较高的防治潜力．赵永强等[43]采用生长速率法测定了6种生物源杀菌剂对甘薯根腐病菌的室内抑菌毒力,结果表明,中生菌素、四霉素和乙蒜素3种药剂对甘薯根腐病菌菌丝生长的抑制作用显著,在甘薯根腐病防治中具有较高的潜力．岳瑾等[44]采用生长速率法测定了4种杀菌剂对甘薯根腐病菌的室内防效,并进行了田间应用效果评价及施药方法的研究,结果表明,各浓度四霉素、100 μg/mL井冈霉素的室内与田间防效及增产效果均较好．

此外,微生物防治也在不断地发展和应用．Opiyo等[45]发现,从华蟾皮中分离出的7种α乙酰基环孢素内酯和13个已知的Drimane型倍半萜类化合物对侵染甘薯的茄病镰刀菌有抑制作用．王翠娟等[46]研究发现,解淀粉芽孢杆菌YTB1407悬浮液预处理后,产生了一些抗真菌代谢产物,并能提高甘薯对根腐病菌的抗性．Logeshwarn等[47]以甘薯根腐病原菌尖孢镰刀菌为材料,在体外条件下对重氮营养棉的生防潜力进行检测,发现重氮菌产生了一种可以抑制尖孢镰刀菌生长的抗生素Pyoluteorin．以上均可以为生物防治甘薯根腐病提供参考．

4.3 农业防治

1)选育抗性品种.选育、种植抗根腐病甘薯品种是最经济有效的措施[48-49]．目前,我国已育成徐薯18、阜210、徐薯24、烟薯3号、济薯10号、郑红4号等抗甘薯根腐病品种[50-51],可因地制宜地选用．

2)加强栽培、贮藏管理.随着种植年限的增加,品种抗性降低,实行轮作倒茬可防治病原菌的繁殖.栽种薯块前大田深耕[52],增施无菌肥[53],如钾肥(质量浓度不能超过2 mg/L)[54];建立无病留种田[55];严格把控贮藏条件:均可一定程度预防甘薯根腐病.有研究发现,贮藏温度、相对湿度和初始接种量均会影响茄病镰刀菌和增殖镰刀菌引起的甘薯根腐病的进程[56],两种病原菌在较低的温度、相对湿度及初始接种量下,镰刀菌根腐病发病率均显著降低．

5 展望

甘薯是我国第4大粮食作物,在国家粮食安全、能源安全、生态安全、健康安全和农民增收等方面起着重要作用．近年来,我国北方薯区和长江中下游薯区相继爆发了甘薯根腐病,并造成了严重的经济损失．然而，对甘薯根腐病的研究目前多集中在病原菌分离鉴定、抗病品种筛选和防治方法等方面,对于根腐病病原菌与甘薯互作机制以及甘薯抗根腐病机制的研究缓慢,应当加快抗根腐病甘薯品种的选育．具体措施如下：

1)建立抗病鉴定分子生物学方法.充分利用甘薯种质资源,加强ISSR、SSR和SNP等分子标记开发,筛选抗病紧密连锁标记,用于甘薯根腐病抗性分子鉴定以及品种选育.

2)抗病品种选育.充分利用甘薯野生种与栽培种的种间杂交,选育抗根腐病品种.

3)根腐病病原菌与甘薯互作机制研究.运用生物化学、细胞生物学以及分子生物学方法阐明互作机理.

4)抗病基因挖掘.利用代谢组、蛋白组、转录组等多组学方法挖掘甘薯抗根腐病相关基因,用于遗传改良．

以上工作需尽快完成,这将为防治甘薯根腐病提供参考.