玉米粗縮病研究進展

摘 要：玉米粗縮病是一種由帶毒灰飛虱傳播的病毒性病害，可對玉米生產(chǎn)造成嚴重影響。本文綜述了玉米粗縮病的病原、病害癥狀、發(fā)病規(guī)律與防治手段，并對玉米粗縮病抗性育種研究進行了概述，著重介紹了玉米粗縮病抗性育種在常規(guī)育種、分子標記輔助育種及轉(zhuǎn)基因育種中取得的進展。

關鍵詞：玉米粗縮病；抗病育種；研究進展

中圖分類號：S435.131.4+9-1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2013）10-0140-06

玉米粗縮病是一種由帶毒灰飛虱傳播的病毒性病害，1945年首次在以色列^[1]發(fā)現(xiàn)，此后在法國、希臘等歐洲國家和阿根廷等南美洲國家^[2～4]均有不同程度發(fā)生。近幾年，玉米粗縮病在我國玉米主產(chǎn)區(qū)的發(fā)病率有明顯上升趨勢，且發(fā)病范圍廣、危害重，對玉米生產(chǎn)構(gòu)成了嚴重威脅，逐漸成為玉米主要病害。山東省自2005年以來連續(xù)5年嚴重發(fā)生該病害，2005年玉米粗縮病發(fā)病面積16.47萬公頃，2006年19.8萬公頃，2007年22.67萬公頃，2008年80萬公頃，2009年53.33余萬公頃，2010年不少于80萬公頃^[5]。由于特殊年份氣候影響，近兩年在山東的危害相對較輕。

1 癥狀

玉米出苗后即可感病，五葉期到六葉期癥狀顯現(xiàn)。植株感病后，節(jié)間縮短變粗，嚴重矮化，葉片濃綠對生，寬短硬直，狀如君子蘭；頂葉簇生，葉心卷曲變??；葉鞘、果穗苞葉上具有粗細不一的蠟白色突起條斑，有明顯的粗糙感^[6]；病株分蘗多，根系不發(fā)達，變短、變細、縱裂，易拔出。苗期感病植株株高僅為正常株高的1/3～1/2，不能抽穗結(jié)實，往往提早枯死^[7]。

2 病原

玉米粗縮病毒（maize rough dwarf virus， MRDV）、水稻黑條矮縮病毒（rice black-streaked dwarf virus， RBSDV）、馬德里約柯托病毒（Malde Rio Cuarto Virus，MRCV）和南方黑條矮縮病毒（southern black streaked dwarf virus，SBSDV）^[8]，是迄今報道的能引起玉米粗縮病的4種病原。這4種病毒都屬于呼腸孤病毒科（Reoviridae） 斐濟病毒屬（Fijivirus）。MRDV、RBSDV通過帶毒的灰飛虱在水稻、玉米、小麥等禾谷類作物以及寄主雜草中傳播，產(chǎn)生相同或相似的病狀。通過血清學對比試驗和cDNA為探針的雜交試驗表明， MRDV、RBSDV是兩種不同的病毒^[9]，在歐洲、中東地區(qū)及北美洲引起玉米粗縮病的病毒為MRDV^[10]。MRCV主要分布在阿根廷、巴西和烏拉圭，其線性基因片段S1～S10的序列與RBSDV同源性達到44.8%～84.5%，最初認為MRCV是MRDV的一個株系，現(xiàn)已定為新種^[11]。張恒木等（2001）^[12]通過對病毒線性基因片段S1～S10的序列同源性分析，確認引起我國玉米粗縮病的病原是RBSDV。2003年，王朝輝完成了湖北玉米分離物的基因組全序列測定和功能預測分析，進一步證明引起我國玉米粗縮病和水稻黑條矮縮病的病原為RBSDV^[13]。RBSDV 基因組由10 條雙鏈RNA（dsRNA）組成，RBSDV 的S1～S10基因片段的2 個末端均為5′-AAGTTTTT T……CAGCTA （G）T（C/A）T（C）GTC-3′的完全保守序列，且靠近末端保守序列都存在1個7～11 bp 的倒轉(zhuǎn)重復序列，但每條基因組片段的重復序列各不相同^[14]。陳佳等（2008）^[15]分析了引起玉米粗縮病的水稻黑條矮縮病毒4個山東分離物S10片段首次發(fā)現(xiàn)RBSDV 基因組中有重組現(xiàn)象。

3 發(fā)病規(guī)律

春季帶毒的灰飛虱把病毒傳播到返青小麥上，沒有帶毒的灰飛虱在小麥感病株上獲得病毒后也把病毒傳到返青小麥上，然后再傳到玉米上。第2、3、4代灰飛虱主要在水稻、玉米及田間雜草上越夏，秋季冬小麥出苗后，灰飛虱遷至麥田及越冬雜草上傳毒越冬，形成全年病害循環(huán)。病毒在灰飛虱體內(nèi)可增殖和越冬，但不能經(jīng)卵傳給下一代。玉米二葉一心時極易感病，拔節(jié)后抗病能力增強。玉米出苗至5葉期如與傳毒昆蟲遷飛高峰期相遇就容易發(fā)病，遷飛高峰后21天出現(xiàn)玉米粗縮病發(fā)病高峰。冬季溫暖干燥有利于灰飛虱安全越冬；夏季少雨有利于灰飛虱若蟲羽化；夏季降雨偏多以及氣溫偏低利于灰飛虱生長繁殖 ^[16]。北方玉米區(qū)，春玉米4月中旬以后播種的發(fā)病重，且播期越晚，感病越重。夏玉米以麥套玉米感病重，直播感病輕，且早播的重，晚播感病輕。套種田、雜草多的玉米田發(fā)病重。

4 防治手段

毒源、介體、玉米感病品種是該病發(fā)生的3個必要條件。當毒源積累到一定程度，并有足夠的介體和感病品種，就可能造成該病流行。目前，對該病的防治應運用“避、除、抗、防”開展綜合防治^[17]。

4.1 調(diào)整播期

適當調(diào)整播期、改變種植模式，采用早播或麥后直播、適當晚收的種植模式，可避免或減輕病害，提高玉米產(chǎn)量^[18]。春玉米應提前到4月上旬播種，夏播玉米在5月底6月上旬播種為宜，套種距麥收前7天左右，最好麥后搶茬直播或毀茬播種。重病田應于麥收后滅茬直播，躲過5月中旬至6月上旬一代灰飛虱成蟲、若蟲盛發(fā)傳毒期；輕病田于麥收前5～7天套播，盡量縮短小麥和玉米的共生期，避開越冬成蟲發(fā)生高峰期^[19]。

4.2 加強田間管理

路邊田間雜草不僅是翌年農(nóng)田雜草的種源基地，也是玉米粗縮病傳毒介體灰飛虱的越冬越夏寄主。小麥收獲后，應及早深耕滅茬，鏟除田間雜草消滅毒源。另外，促苗早發(fā)、及時間苗、定苗，發(fā)現(xiàn)病株及時拔除，帶出田外埋掉，減少毒源。合理施肥、澆水，加強田間管理，促進玉米生長，縮短感病期，減少傳毒機會。

4.3 藥物防治

收麥后，每667m2田塊選用25%噻嗪酮30～40 g加10%吡蟲啉可濕性粉劑加水噴灑收割后的麥田及溝邊、地頭^[20]?？稍谟衩?葉期前使用2.5%吡蟲啉1 000倍液及10%病毒王可濕性粉劑600倍混合液噴霧防治，隔6～7天噴1次，連噴2～3次，可起到很好的防治效果^[21]。

4.4 種植抗病品種

種植抗病品種不僅能從根本上降低蟲源和毒源，對當季玉米生產(chǎn)有益，而且降低下季作物的病毒和帶毒蟲的來源。國內(nèi)已對大量玉米材料進行了抗性鑒定，未發(fā)現(xiàn)對粗縮病免疫的材料，高抗材料也不多見。具有Reid 和Lancaster 血緣的種質(zhì)如鄭58、掖478、5003、掖107、Mo17、自330、8112 等易感病，而PB亞群如齊319、X178、N87-1、沈137 等和塘四平頭亞群的黃早四、昌7-2、K12等的抗病性相對較好，可作為抗粗縮病育種的基礎材料^[22]。

5 育種研究

5.1 常規(guī)育種

王安樂等（2006）^[23]選擇5003、E28、91_367、803_2、422、中黃64 等6個玉米自交系。將自交系材料種植于天然病圃中使其自然發(fā)病，在成株期調(diào)查發(fā)病率和病情指數(shù)，并從中選擇無病健康植株套袋進行本系內(nèi)混交留種， 連續(xù)選擇3個輪回。然后將各個輪回的種子于同年份同條件下種植， 進行抗粗縮病特性鑒定，比較各世代的抗性差異。然后進行輪選效應測定用原始C0自交系和選后的C3自交系各自組成3 對雜交種，代表中抗水平的組合91_367×803_2， 改良前的病損率為13.2%， 改良后的病損率降低到1.6% ，病害損失基本得以消除， 在生產(chǎn)上的使用價值較大。馬英建等（2010）^[24]通過Mo17、掖478和沈5003等6個自交系綜合雜交后自交選育出母本LN287，通過丹340/Lx9801為基礎材料自交選育父本LN518，以母本LN287、父本LN518產(chǎn)生一代雜交種青農(nóng)105對玉米粗縮病有極高的抗性。

5.2 分子標記開發(fā)及QTL定位

對玉米粗縮病抗性一致QTL發(fā)掘和遺傳基礎的深刻揭示為進一步尋找與抗玉米粗縮病緊密連鎖的分子標記以及應用分子標記輔助選擇技術改良玉米粗縮病的抗性提供了理論和技術支持，同時還可通過對這些位點的輔助選擇創(chuàng)建近等基因系，為進一步開展玉米粗縮病抗性基因的精確定位及克隆奠定研究基礎。

何龍等（2008）^[25]以高抗粗縮病玉米自交系齊319和高感粗縮病玉米自交系掖478的189個F2群體為研究材料，利用SSR 分子標記， 在玉米抗、感親本自交系間廣泛篩選多態(tài)性標記， 并運用BSA 法，找到1個與玉米粗縮病抗性基因連鎖的SSR 分子標記，初步認定齊319的玉米粗縮病抗性基因位于第2染色體上，與標記Bnlg125連鎖。陳艷萍等（2008）^[26]以感病自交系蘇951和抗病自交系87-1為研究材料，在玉米第5和第9染色體上找到了2個與玉米粗縮病抗病位點有連鎖關系的分子標記標記umc1155 、 umc1505，說明在自交系87-1中至少可能存在2個玉米粗縮病抗性基因。李斌等（2009）^[27]在王飛定位的基礎之上，用來自抗病自交系90110和感病自交系掖478雜交后代的重組自交系F038141和F072141為親本，構(gòu)建了F2群體，最終將第7號染色體上的抗病位點定位于SSR標記umc1401和L6之間，與兩者的距離均為0.7 cM ，找到了4個存在于定位區(qū)間內(nèi)的可能性較大的候選基因。史利玉（2010）^[28]結(jié)果表明，在X178×B73 RIL群體中檢測到玉米第8染色體8.03處存在1個主效抗病QTL，其抗性基因來源為親本X178。在黃早四×掖107RIL群體，于染色體2、3、4、6、7、8、10均檢測到抗病QTL，其效應較小。通過比較定位分析以及抗病基因簇集分布，發(fā)現(xiàn)在玉米第3染色體3.04（SNP610-SNP1438）處、第4染色體4.03（SNP1287- SNP581）處、第6染色體（SNP1518- SNP408）處、第7染色體7.02/03（SNP637- SNP686）處、第8染色體8.06（SNP619- SNP68）處存在玉米粗縮病抗性位點。商偉等（2011）^[29]利用玉米抗粗縮病的自交系80007 和感病自交系80044 組合衍生的205個株系為試驗材料，利用F6株系的抗性表現(xiàn)來替代F5單株的抗性分別在山東省泰安和肥城種植，將抗病QTL 定位到了第1、2、5 染色體上、其中位于第2 染色體上、標記區(qū)間為mmc0111-bnlg1297 的QTL，在兩個環(huán)境中被重復檢測到，可分別解釋抗粗縮病表型變異的17. 74%和8. 76%，認為其為效應值大的QTL。石明亮等（2012）^[30]該研究調(diào)查了GY220×1145雜交衍生的RIL群體109個家系（F10-11） 在2個環(huán)境下粗縮病的抗感表型值，結(jié)合該組合由272個DNA分子標記構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜，運用多元回歸模型和混合線性模型都檢測到的位點是MRDD2-22，位于第4染色體長臂97M7806～n142標記區(qū)間，抗性等位基因來自自交系1145， MRDD2-22位點可用于分子標記輔助選擇進行玉米自交系粗縮病抗性的改良。

5.3 轉(zhuǎn)基因育種

通過轉(zhuǎn)基因育種的方法，在植物上已有13個QTL 被克隆^[31～43]，其中11 個是采用圖位克隆得到的，這表明圖位克隆策略在QTL 的克隆以及轉(zhuǎn)基因育種上扮演著極其重要的角色。Price（2006）^[44]對一些已經(jīng)確定物理位置的數(shù)量基因進行分析，發(fā)現(xiàn)其真實位置十分接近于它們在初步定位中的LOD（logarithms of odds ratio）值高峰（兩者間的間距浮動在0～1.9 cM 之間），而且多次定位中的平均LOD值與目標QTL的真實位置更加接近。Price直接利用初步定位的LOD值等數(shù)據(jù)信息進行QTL 圖位克隆。在抗玉米粗縮病基因初步定位的基礎上篩選候選基因，對真核翻譯起始因子4E （Eukaryotic Initiation Factor 4E， eIF4E）進行功能分析，驗證該候選基因與玉米粗縮病毒的關系，推測其可能的抗性機理，試圖了解該候選基因在玉米粗縮病抗病育種中的價值。但是有關玉米粗縮病抗性基因克隆及成功導入的文章還未見報道。

RNA沉默是植物的一種天然防御病毒的方法，Ma等（2004）^[45]以水稻矮縮病毒（RDV）基因組中第八片段編碼區(qū)128～754 bp的序列為臂構(gòu)建hpRNA，并克隆到植物表達載體pROK-2上，通過農(nóng)桿菌介導的方法轉(zhuǎn)化水稻“中花11”，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因水稻對RDV具有高抗性或表現(xiàn)為癥狀延遲。Takumi等（2011）^[46]通過RNA沉默方法得到的轉(zhuǎn)基因水稻后代對RBSDV的抗性明顯提高。這些研究為探索利用RNA沉默技術，培育抗玉米粗縮病品種奠定了基礎。

6 問題與展望

玉米粗縮病唯一的傳播途徑——昆蟲傳播，傳毒昆蟲主要為灰飛虱，影響灰飛虱帶毒率變化的關鍵因素、氣候變化與玉米粗縮病流行的關系等還缺乏深入研究。此問題的探索將為玉米粗縮病的流行預測提供重要的理論依據(jù)。雖然對感染玉米粗縮病后玉米植株的組織病變已有觀察，但對寄主與病毒的互作，尤其是寄主的抗性防御機理還缺乏認識，對引起“粗縮”的機理需要進一步探討，以便尋找新的抗病機制及“治病”措施。建立可行高效的接種鑒定技術，為玉米粗縮病抗性的準確鑒定提供有力的技術支持。

玉米對粗縮病的抗性屬于數(shù)量性狀，由效應不等的多基因控制，其抗性機制比較復雜，表現(xiàn)型與基因型之間沒有明確的對應關系。由于 QTL 的位置、效應隨材料、時間和地點有較大差異，可靠性較低，現(xiàn)在還不能實現(xiàn)對某一性狀全部 QTL 的精確定位，加上上位性效應等因素的影響^[47]，所以，關于玉米粗縮病分子育種的研究多數(shù)停留在作圖、標記鑒定、定位等基礎環(huán)節(jié)，在育種中的應用很少。目前抗玉米粗縮病的玉米種質(zhì)資源缺乏，應加強玉米抗性種質(zhì)的挖掘和創(chuàng)新，選擇雜交親本時應盡量使用與育種直接有關的材料，所構(gòu)建的群體應盡可能做到既是遺傳研究群體，又是育種群體，從而縮短基因（QTL）定位與育種應用間的距離，促進抗性基因的發(fā)現(xiàn)、克隆、轉(zhuǎn)化等環(huán)節(jié)高效銜接。將來應進一步對主效QTL進行定位和克隆，從而開展分子標記輔助選擇，切實找到與抗病基因緊密相連鎖的分子標記，發(fā)掘新的抗性基因并利用分子標記輔助育種，縮短育種年限，聚合有利基因，創(chuàng)造優(yōu)異育種新材料，為大規(guī)模培育優(yōu)良品種創(chuàng)造條件。

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