玉米莖腐病研究進展

沈丘縣農牧局農藥監督管理站 張鳳麗

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玉米莖腐病研究進展

沈丘縣農牧局農藥監督管理站 張鳳麗

玉米莖腐病又稱玉米青枯病，是一種毀滅性的土傳病害，在世界主要玉米種植區均有發生。從1980年開始，該病在中國各玉米產區相繼發生，一般年份發病率為10%～20%，嚴重時超過70%，一般造成的產量損失在20%～30%，局部地區在50%以上，嚴重時甚至絕收。此外，莖腐病嚴重影響玉米品質以及因莖稈破損倒伏而帶來的收獲問題。

一、病原菌及病癥

玉米莖腐病病原菌比較復雜，國外有報道，輪枝鐮孢（F. verticillioides）、 禾 谷 鐮 孢（F. graminearum）等是造成美國玉米莖腐病發生的主要致病菌，腐霉菌主要危害苗期和散粉前的玉米植株；而西歐的病原菌主要是干腐菌（F. zeae）和輪枝鐮孢。有關玉米莖腐病的病原菌問題國內學者爭論了20多年，我國近期研究發現，玉米莖腐病病原菌主要以腐霉菌和鐮孢菌為主，目前尚未明確哪個致病作用強，并且認為它們獨立或復合侵染導致莖腐病的發生，而其中對鐮孢菌研究報道相對較多。

鐮孢菌是莖腐病的主要病原菌，其屬內的多個種均可侵染玉米，如禾谷鐮孢菌、層出鐮孢菌（F. proliferatum）和輪枝鐮孢菌等。由于各地地域環境、耕作制度、氣候條件等的不同或變化，不同國家或地區玉米種植區的鐮孢菌種群組成和分布存在差異。陜西關中主要是禾谷鐮孢菌，廣西主要是串珠鐮孢菌和同色鐮孢菌，湖北主要是串珠鐮孢菌，山東主要以瓜果腐霉菌為主，并以禾谷鐮孢菌復合侵染所致。河南省玉米莖腐病是由多種鐮孢菌單一或者復合侵染引起的，其中包括禾谷鐮孢菌、半裸鐮孢菌（F. semitectum ）、層出鐮孢菌和輪枝鐮孢菌及其中間變種（F. moniliforme var intarmadium），還有尖孢鐮孢菌（F. oxysporum ）。其中禾谷鐮孢菌分布廣，分離頻率高，致病性最強；輪枝鐮孢菌次之。

田間病原菌可侵染玉米的根、莖和穗等組織，導致苗枯、根腐、莖腐和穗腐等病害。從開始發現病葉到整株發病，一般經歷5～8d。根部發病后，表現根腐，初生根和次生根腐爛變短，根囊皮松脫，髓部變為空腔，須根和根毛減少，整個根部極易拔出。莖部發病后，在莖基節間產生縱向擴展的不規則狀褐斑，其后很快變軟下陷，內部空松，組織腐爛，維管束呈絲狀游離，可見白色或玫瑰紅色的菌絲，隨后在產生玫瑰紅色菌絲的殘稈表面可見藍黑色的子囊殼。莖稈發病后，表現腐爛，自莖基第1節開始向上擴展，可發展第2～3節，甚至全株，病株極易倒折。葉部發病后，葉片一般不產生病斑，葉部癥狀一般呈現青灰色干枯。植株感病害，后期通常伴隨有玉米穗下垂，穗柄柔韌較軟，果穗小，穗軸心干縮，籽粒干癟不飽滿，千粒重顯著下降，而且沒有光澤，脫粒困難。

二、致病機制

玉米在苗期就能被病原菌侵染，但只有到植株散粉期才能擴展到莖基部，一般在玉米灌漿末期開始發病，乳熟末期至蠟熟期為發病高峰期。在整個侵染循環過程中，病原菌對植株的破壞包括其自身的繁殖過程，產生對植株有毒害作用的細胞壁降解酶、毒素降解寄主細胞；另外，利用被降解的組織細胞。通過繁殖出的孢子來堵塞植株的營養運輸等。大量研究表明，細胞壁降解酶能明顯分解幼苗胚根的細胞壁的中膠層和其他細胞壁成分，造成質壁分離和原生質的外流；寄主細胞壁分解后產生大量的細胞壁碎屑和微纖絲，使寄主維管束的紋孔膜堵塞而導致萎蔫癥狀。

三、玉米莖腐病鑒定評價方法

目前，針對玉米莖腐病的鑒定方法主要采用人工接種方法。根據接種部位不同，分為地上部莖基節間髓組織注射接種、牙簽接種和米粒接種和地下根部土壤接種。接種時間多數在抽雄期到散粉期，接種部位在地上第2節間，于接種后21～28d進行鑒定。其中，牙簽接種和注射接種均屬感染莖基節間髓組織，其結果比較一致，牙簽接種和注射接種的致病性受環境影響較小，其抗性反應基本上屬于基因型表現。而且注射接種具有用菌量一致、發病均勻、接種速度快等優點。因此，該方法適用于大量育種試材的抗性鑒定，而土壤接種適用于少量的重要育種試材或主要雜交種大量生產前的抗性評價。但晉齊鳴等研究認為，注射接種、牙簽接種雖簡便，但僅根據第2節髓部的變褐，并不能真實反映品種的真實抗性。土壤接種主要預測根系抗性，與自然感病基本相符，但植株發病易受環境影響。而播種期接種法和散粉期根埋法，均能產生典型癥狀，播種期接種法較散粉期根埋法省時省力。此外，玉米莖腐病鑒定不同時期存在差異，田間接種成株期發病率不高，與該病害的特性有較大關系。多數研究認為，苗期測定結果可作為參考，成株期的鑒定結果較為重要。

有關玉米莖腐病的病情分級和抗性評價標準國內外學者進行了界定。龔士琛等將玉米乳熟后期分5個級別鑒定玉米莖腐病病情。標準為：0級，植株正常生長；1級，病株由下而上青枯，占全株葉片的1/4以下，莖基1～2節無癥狀；2級，青枯葉片占1/2左右，莖基1～2節稍有水漬狀；3級，青枯葉片占2/3以上，莖基部變軟，果穗開始下垂；4級，全株葉片青枯或枯死，莖基部松軟變褐，果穗下垂、倒伏。王曉鳴等根據發病株率將玉米莖腐病病情劃分為5個等級：1級，發病株率在0%～5.0%，高抗（HR）；3級，發病株率在5.1%～10.0%，抗病（R）；5級，發病株率在10.1%～30.0%，中抗（MR）；7級，發病株率在30.1%～40.0%，感病（S）；9級，發病株率在40.1%～100%，高感（HS）。目前，在國家玉米新品種審定中，針對玉米莖腐病的評價標準與王曉鳴的相一致。

四、玉米莖腐病遺傳研究進展

（一）玉米對莖腐病的抗性機制

玉米對病原菌的抗性是形態結構、生理生化代謝協同作用的結果。玉米灌漿期葉面積大小、莖節密度、莖稈硬度、根系拔力都可以對玉米的抗病性產生影響。研究表明，玉米莖腐病的發病率與莖稈硬度存在相關性，而與莖稈直徑、莖皮厚度之間沒有相關性；莖稈越硬，拔根所需力越大，抗性越強。此外，寄主超微結構的變化也是一種抗病反應，如抗病植株主根和莖基部皮層細胞壁及中柱維管束的細胞壁厚，大導管數量多，篩管細胞粗短。在玉米生理代謝過程中，玉米對莖腐病的抗性機制是以可溶性糖含量為基礎，酚類物質和鉀、硅元素代謝為核心，膜脂過氧化、滲透調節、病程相關蛋白誘導等因子共同參與的復合防御體系。因此，抗性品種接種后通過提高組織內含糖量、防御酶系酶活性，誘導新的同工酶、木質素和酚類物質的合成來提高玉米對莖腐病的抗性。莖稈含糖量越高，抗莖腐病能力就越強。另外，在生產中發現，合理施用氯化鉀能增強玉米對莖腐病的抗性，降低發病率，提高玉米產量。鉀素作為植物所必需的大量元素之一，與植物體內碳水化合物的合成和轉化關系密切。在缺鉀條件下，病原菌的入侵造成幼根中的蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性下降，蔗糖的合成受阻，植株只能被動地依靠已有的碳水化合物為抗病代謝提供能量和原料，促使蔗糖含量顯著降低。而在充足供鉀的條件下，SPS和蔗糖合成酶（SS）活性增加，植株擁有較活躍的糖代謝能力，對植株體內蔗糖含量起到了協調作用，從而提高了植物的抗性。因此，施鉀有利于增加病原菌侵染后幼根組織SS和SPS基因的表達量，提高SS和SPS的活性，維持被侵染部位正常的糖代謝水平。

（二）玉米莖腐病的遺傳研究

多數研究認為，玉米對莖腐病的抗性是數量性狀受多個基因控制，以加性基因效應為主。許明學等對1 549份試材進行接種試驗，結果表明，玉米對莖腐病的抗性主要由基因加性效應控制，基因加性方差占遺傳總方差的66.3%～71.3%。陳永欣通過對抗性不同的10個自交系的雙列雜交試驗指出，正反交抗性差異不明顯，屬于核基因控制性狀，F1代主基因的加性效應大于顯性效應，為數量遺傳，抗性遺傳力較高，親代與F1之間的相關系數達顯著水平。宋玉墀等報道指出，玉米對莖腐病的抗性表現為數量性狀遺傳的特點，加性效應是重要組成部分，屬核基因控制。此外，王奎生等利用6個組合的6個世代材料分析玉米莖腐病的抗性基因效應，結果表明，抗病性在世代間有顯著差異，抗病性同時受基因加性和上位性效應的控制。另外，也有研究認為玉米莖腐病病原菌復雜，由多種病原菌復合侵染所致，玉米對莖腐病病原抗性因不同材料和病原菌所表現的抗性遺傳形式可能不同。Toman等通過對單病原菌接種試驗，首次提出玉米對青枯病的抗性可能是由顯性單基因控制。王振華研究認為，不同致病菌的抗性遺傳方式歸納起來可分為兩種：多基因控制的數量遺傳且多為加性效應占主導地位和由少數核基因控制的簡單遺傳。陳紹江等以禾谷鐮孢菌和禾生腐霉菌混合接種，研究認為禾谷鐮孢菌和禾生腐霉菌的抗性基因是同一基因，而且是顯性單基因。近年來，隨著分子標記技術不斷更新，玉米莖腐病QTL定位研究也取得了一些進展。Yang等通過接種禾谷鐮孢菌，把玉米莖腐病抗性基因定位于第6號染色體上，并找到緊密連鎖SSR標記mmc0241。另外，Yang等利用回交群體，檢測到1個玉米莖腐病抗性的主效QTL qRfg1，該主效QTL的抗性效應在DH群體、F2群體、高世代回交群體中得到了進一步驗證，并將其精細定位在標記SSR334和SSR58之間，物理距離約為500kb。此外，徐作廷等研究認為， 玉米莖腐病的抗性與農藝性狀的遺傳相關，即莖腐病病株率與穗行數、千粒重分別具有顯著的正向和負向的遺傳相關；病株率和病情指數分別與株高、穗位高、莖粗、生育期和病毒病呈極顯著的負相關，與雙穗率呈顯著的正遺傳相關，與大斑病、小斑病和空稈率相關不顯著。張培坤等研究認為，玉米品種間對青枯病的抗性存在著顯著的差異性，不同品種其發病程度也不同。一般來說，中晚熟品種較抗病，分析認為可能是由于生育期長，制造積累的營養物質多，增強其抵抗能力所致。

（三）玉米莖腐病的育種研究

目前，針對玉米莖腐病的防治主要以選用抗病的品種為最常用、最有效的方法。選擇抗源是抗病育種的關鍵，抗源基因的尋找可以擴展到玉米的近緣屬材料，例如大芻草、高粱等，然后依據玉米對不同病原菌抗性的遺傳方式，采用不同的方法。對于抗性的數量遺傳方式，采用混合選擇和輪回選擇改良玉米。另外，自交系對莖腐病的抗性提高是有效的，而對某些病原菌的抗性表現為質量性狀，可將某一自交系和優良抗源進行雜交，然后再與這個自交系進行回交可改進其抗性，也可采用交替自交和回交的方法。注意，不管采用什么方法，在選育抗病品種時，應將其放在綜合表現中測試，以防抗病與產量呈負相關。此外，綜合玉米對莖腐病的抗性機制，選擇葉片較大，莖稈硬度強，根系拔力大，灌漿期莖稈中蔗糖、木質素含量高，酶活性高的植株將明顯提高抗病育種效率。近年來，在河南大部分地區選擇種植抗病較強的品種有鄭單958、先玉335、鄭單538、鄭單1002等。

五、存在的問題

近年來，國內外對玉米莖腐病的研究取得了一些成績，但同時也存在一些問題。

（一）缺乏準確的表型鑒定方法

由于病原菌的復雜性以及外界大規模發病環境條件的不可控性，給玉米莖腐病的鑒定帶來了很大困難。目前，大多數研究主要針對一種致病菌進行單因子研究，而田間實際發病多數是由多個致病因子綜合作用的結果，因此，玉米莖腐病評價鑒定體系需要進一步不斷完善、更新。

（二）生產中缺少抗性強而穩定的推廣品種

玉米莖腐病作為一種典型土傳病害，目前生產中推廣的主栽品種以感病品種居多。隨著我國玉米育種目標的調整，適應當前或以后玉米高產、穩產、抗逆及機械收粒的戰略目標將是我們努力的方向。

（三）遺傳機理或功能基因研究較淺，缺乏與抗病基因相關的有效分子標記

盡管目前一些抗病誘導基因己在一些植物中被鑒定，但抗病機制研究較淺，多數研究僅圍繞單個基因進行，而未系統研究基因間的相互作用機制或基因在生物體內的代謝調控機制。

六、對未來的展望

未來玉米莖腐病的研究方向主要從以下幾個方面著手：

（一）借鑒已有的研究結果，完善現有的設施或方法，在為病害發生創造良好的發病條件前提下，對玉米抗病性鑒定指標進行遺傳研究，建立一套標準的系統評價體系。

（二）利用多途徑或多方法，如誘變技術、轉基因以及單倍體技術，創造抗源材料，豐富現有的種質資源庫。

（三）利用高通量的分子標記技術，開發大量高效的分子標記，通過精細定位并克隆優質抗病主效QTL，以提高分子標記輔助選擇在玉米對莖腐病抗性遺傳改良中的應用效率。

（四）基于目前玉米基因組數據庫信息，利用現代生物學技術如RNA-seq技術、全基因組重測序技術，對玉米莖腐病抗性進行全基因組范圍的功能基因研究，進而來揭示出玉米抗性遺傳機制。