玉米地方种质资源对禾谷镰孢菌穗腐病的抗性评价

何 玥, 郭 爽, 王 栋, 聂 蕾, 涂 亮,刘鹏飞, 郭向阳, 王安贵, 祝云芳, 吴 迅,3, 陈泽辉

(1.贵州大学农学院, 贵阳 550025; 2.贵州省农业科学院旱粮研究所, 贵阳 550006;3.农业农村部喀斯特山区作物基因资源与种质创新重点实验室, 贵阳 550006)

玉米作为重要的粮食、饲料作物和工业原料之一,也是我国的第一大粮食作物,在保障国家粮食安全和社会稳定中发挥着重要作用。玉米穗腐病是我国各个玉米产区普遍发生且危害严重的一种真菌性病害,一般品种发病率为 5%～7%,感病品种发病率达50%左右[1]。不仅造成严重减产和降质,还会产生真菌毒素,严重威胁人畜健康[2-5]。玉米穗腐病的病原菌种类繁多,主要有两大优势致病菌,分别是拟轮枝镰孢菌和禾谷镰孢菌。在我国西南地区,禾谷镰孢复合种(FGSCFusariumgraminearumspecies complex)是主要的优势菌株之一[6]。基于不同的接种方法,国内外相继鉴定出一些抗禾谷镰孢穗腐病的玉米种质材料。Schaafsma等[7]利用花丝通道注射法和针刺果穗注射法鉴定出2个品种对禾谷镰孢穗腐病表现高抗。Reid等[8]采用花丝通道注射法鉴定出对禾谷镰孢菌表现抗性的自交系CO272、CO325与杂交种Pride K127。文成敬等[9]通过针刺果穗注射法鉴定出5份材料表现出中等以上抗性。刘素玲等[10]鉴定出自交系自330和BT-1对禾谷镰孢菌表现高抗。徐婧等[11]同时对两种优势病原菌进行抗性鉴定,鉴定出兼具抗性的12份玉米种质资源。杨俊伟等[12]对玉米新品种进行禾谷镰孢穗腐病的抗性鉴定,筛选出中抗及以上品种数占鉴定品种总数的91.56%,且高抗品种占比在年际间变化幅度较大。段灿星等[13]经过多年多点的鉴定,筛选出17份对禾谷镰孢菌穗腐病表现出稳定抗性的种质,如MC7528,H446,Y1632等。综上所述,前人鉴定出的抗穗腐病种质材料大多数集中在玉米自交系或杂交种,而对我国玉米地方种质的穗腐病抗性鉴定与评价较少。我国玉米种质资源保藏量十分丰富,尤其是西南地区的玉米种质资源保藏量和利用潜力大[14],但绝大部分种质尚未进行精准地抗穗腐病鉴定,而且各种环境因素对穗腐病的发病影响较大,导致玉米穗腐病的防治较为困难。不断深入认识玉米种质资源对穗腐病的抗感差异,是选育抗性种质资源的基础。本研究采用人工田间接种的方式,对我国西南区998份玉米地方种质资源进行禾谷镰孢菌穗腐病抗性评价。以期为深入认识中国玉米地方种质资源穗腐病抗性提供参考,也为穗腐病抗性遗传学的研究和抗性种质资源的选育提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

依托国家种质资源库搜集到的玉米地方种质资源共998份,其中普通地方种材料500份,糯玉米地方种材料498份。本研究使用的禾谷镰刀菌由贵州省农科院植保所提供,分离自贵州省采集的玉米穗腐病样本。

1.2 田间试验设计

所有材料于2022年3月种植在贵州省农业科学院大方县试验基地。行长3 m,每个材料种植2行,2次重复。以X178为抗病对照,B73为感病对照。每间隔98份材料种植一组对照。田间管理按照当地大田生产管理进行。

1.3 禾谷镰孢菌的培养与接种

1.3.1菌种培养与孢子悬浮液制备

在PDA培养基上接种禾谷镰孢菌,放入25 ℃恒温培养箱,培养6～7 d。待PDA平板长满菌丝,将其切成小块,转接至灭菌的绿豆培养基中,放入25 ℃恒温摇床,设置转速为220 r/min,并保持暗光培养7 d左右。最后利用灭菌双层纱布进行过滤,去除菌丝和杂质,用无菌水配成浓度为2×106个/mL的孢子悬浮液。

1.3.2田间接种方法

根据材料的生育期,玉米吐丝10 d后,参照张小飞等[15]描述的针刺果穗注射法接种,每穗 2 mL孢子悬浮液,接种后喷漆标注。

1.4 抗病性调查与评价

在玉米收获期进行发病级别调查。按照抗性评价标准(表1),每份材料需选取接种后无杂菌侵染的6个果穗,进行病情级别评价。根据性状调查和评价结果,利用Microsoft Excel2010软件进行分析处理,计算平均病情级别和病情指数。

表1 玉米镰孢穗腐病抗性评价标准

1.4.1平均病情级别计算公式[13,16]

式中,ERS表示病情级别;i=1,为第1个单株,n为最后第n个单株。

1.4.2病情指数计算公式

根据病情级别计算每份材料的病情指数,参照张帆等[17]病情指数计算公式如下:

病情指数/%=

1.5 病情指数的Shannon-Weaver多样性指数计算

1.5.1病情指数的等级划分

表2 病情指数的等级划分

1.5.2分布频率

分布频率计算公式:

式中,ni表示病情指数处于第i级的材料个数,n表示材料总数。

1.5.3Shannon-Weaver多样性指数

参照Poole等[20]的公式计算Shannon-Weaver多样性指数:

2 结果与分析

2.1 地方种质资源穗腐病抗性鉴定

依据农业行业标准NY/T 1248.8-2016《玉米抗病虫性鉴定技术规范》的第8部分,对998份玉米种质资源进行了禾谷镰孢菌穗腐病抗性鉴定评价,结果显示,感病对照自交系B73的平均病情级别为7.49,大于5.6,表明此次鉴定结果有效。

对禾谷镰孢菌的抗感数量和比例均呈正态分布趋势,其中高抗和抗的材料较少,中抗和感的材料较多,其次为高感材料数量(表3)。可以看出,籽粒发病轻,平均病情级别≤1.5,表现高抗的材料仅有3份,分别是铁心早,红爆花,乌炸包谷。表现抗病的材料有99份,平均病情级别介于1.6～3.5之间,占全部材料的9.92%;平均病情级别介于3.6～5.5之间的有348份为中抗材料,占全部材料的34.87%;而感病材料有368份,平均病情级别介于5.6～7.5之间,所占比例最高;表现高感的材料有180份,占比仅次于感病材料和中抗材料。鉴定结果说明地方种质资源中蕴藏了大量的抗性资源,中抗及以上的材料有450份,占了全部材料的45.09%,但高抗的材料比较缺乏。

表3 抗性鉴定结果分布

根据材料的类型来看,普通玉米地方种和糯玉米地方种表现出抗性的材料数量相差不大,两者的感病材料数量一致(表4);但糯玉米地方种没有表现高抗的材料,并且表现高感的材料多于普通玉米地方种质,说明糯玉米整体抗性较差。部分材料抗性鉴定结果见表5。

表4 不同类型材料抗级数量

表5 抗性鉴定结果(部分材料)

2.2 病情指数的多样性分析

由图1可以看出,玉米地方种质资源在划分出的病情指数等级上除了10级,均有分布。其中5级的材料数量最多,达201份,7级次之。1级的材料数量最少,只有16份。说明玉米地方种质抗感类型丰富,可利用的种质材料多,因此,从玉米地方种质资源进行抗源筛选可能更容易获得有用的抗源材料。

图1 病情指数等级划分数量

通过计算,玉米地方种质病情指数的Shannon-Weaver多样性指数为2.05,表明其对禾谷镰孢穗腐病的病情指数的多样性水平较高。从图2来看,在1～9个等级上均有分布,但主要还是集中在第4～7级上,占总数的66.43%。表现出一定的集中性,呈现为一种近似的正态分布。表明地方种质资源对禾谷镰孢穗腐病的发病情况较为集中,病情指数集中在中等范围内。

图2 玉米地方种质资源病情指数频率分布

3 讨 论

玉米穗腐病致病菌种类繁多,广泛分布在我国不同的玉米产区,其优势致病菌为禾谷镰孢复合种和拟轮枝镰孢菌。通过分子鉴定和比较基因序列的差异,又把禾谷镰孢菌复合种分成了16个种[21]。我国报道的至少有4个种,在南北方玉米主产区均有分布的主要是禾谷镰孢菌,布氏镰孢菌主要分布在北方地区,而南方镰孢菌(F.meridionale)分布在高温高湿的西南区域[22],亚洲镰孢菌(F.asiaticum)在西南地区也是穗腐病致病种之一[23],可以看出禾谷镰孢穗腐病的病原菌分布具有一定的地域特征,并且前人研究表明,不同致病菌引起的穗腐病抗性不存在相关性[24],因此要针对不同的病原菌分别展开抗性鉴定和抗源筛选,而前人大多数的研究都是针对拟轮枝镰孢病原菌进行抗性鉴定和筛选,关于禾谷镰孢穗腐病的抗性鉴定较少,导致抗源稀缺。本研究利用禾谷镰孢菌作为致病菌,进行西南区玉米地方种质资源的抗性鉴定和筛选,增加了抗禾谷镰孢穗腐病的抗性种质数量。玉米穗腐病的发生不仅受多种病原菌复合侵染,还受生长条件、气候变化等诸多环境因素的影响,在较寒冷、高降雨量的玉米种植区禾谷镰孢更占优势[25],我国西南地区是玉米禾谷镰孢穗腐病的高发区,目前在玉米禾谷镰孢穗腐病抗病资源鉴定以及抗性基因挖掘方面都取得了一定进展,但仍落后于实际的生产应用,因此选育抗穗腐病玉米种质资源对西南玉米产区具有极其重要的意义。

玉米地方种质资源具有丰富的适应性和抗逆性变异基因,姚启伦等[26]采用不完全双列杂交试验对10份三峡库区玉米地方种质资源进行抗病性分析,结果表明地方种质资源较骨干自交系具有明显的抗病特性。在长期的自然和人工选择下,西南山地玉米区以其特殊的地理特征和气候条件,形成了具有特定适应性的玉米地方品种,这些品种中蕴含着复杂多样的基因资源[27]。本研究针对西南区玉米地方种质的抗穗腐病进行了客观评价,筛选出3份高抗穗腐病种质资源,这些抗病材料的鉴定与筛选,丰富了我国玉米抗穗粒腐病种质资源,将为抗病育种和理论研究提供一定的支撑。

4 结 论

本研究对西南区玉米地方种质的穗腐病抗性进行了人工接种鉴定与评价,筛选出3份表现高抗玉米穗腐病的地方种质,此外,有99份表现为抗玉米穗腐病,中抗玉米穗腐病的材料有348份,中抗及以上的材料占供试自交系的45.09%。从供试材料的类型来看,普通玉米地方种对禾谷镰孢穗腐病的抗性表现较强,在糯玉米地方种中,也鉴定出一些抗和中抗的种质,可应用于感病材料的穗粒腐病抗性改良。本研究以西南区玉米地方种质感禾谷镰孢穗腐病的病情指数,进行多样性分析,结果表明,西南区玉米地方种质的病情指数的计算值和 Shannon-Weaver多样性指数较高,说明我国玉米地方种质资源中,抗感禾谷镰孢穗腐病的材料丰富,且玉米穗腐病抗源数量较多,在选育抗性材料时可考虑应用地方种质抗源。