玉米大斑病抗性育種研究進展與展望

鄭 飛,崔亞坤,王 森,袁建華

(江蘇省農業科學院糧食作物研究所，江蘇南京 210015)

玉米是我國主要的糧食作物和飼料作物，在農業生產中占有非常重要的地位。近幾年，因氣候等因素的影響，玉米大斑病頻繁暴發，嚴重影響玉米產量和質量。鑒于此，筆者簡述了玉米大斑病的發生情況、玉米大斑病抗性育種的研究現狀，分析了玉米大斑病抗性育種中出現的問題，并指出未來的發展策略。

1 玉米大斑病的發生與危害

玉米大斑病又稱條斑病、煤紋病、枯葉病、葉斑病等。它是由大斑凸臍蠕孢[Exserohilumturcicum(Pass.)Leonard et Suggs]和有性態玉米毛球腔菌[Setosphaeriaturcica(Luttr.)Leonard et Suggs)]引起的玉米主要病害之一，主要危害玉米的葉片、葉鞘，發病初期在葉片上產生長橢圓形的黃色或青灰色水浸狀小斑點，斑點沿葉脈向兩端擴展呈邊緣暗褐色、中央淡褐色或青灰色的梭形萎蔫斑。后期田間濕度大時，病斑表面密生一層灰黑色霉狀物，尤以葉片背面多，影響玉米光合積累養分，甚至可使玉米嚴重減產[1-3]。該病害自1876 年在意大利發現以后，快速席卷全世界[4]。在我國，玉米大斑病最早于 1899年在東北三省(黑龍江、吉林、遼寧)發現[5]，隨后其他各省也開始出現。玉米大斑病多發生在冷涼地區；除溫度、濕度條件外(溫度 20～28 ℃、相對濕度 90%以上)[6]，栽培條件、生態條件、環境條件、品種等也是決定其是否發生的因素[7]。

2 國內外抗大斑病育種現狀

2.1生理小種的組成及其毒力表現經國內外研究發現，引起玉米大斑病的病原菌可分為3類：玉米?；?僅侵染玉米)、高粱專化型(侵染高粱、玉米、蘇丹草、約翰遜草)、非專化型(可侵染玉米、高粱)。對于玉米專化型，在世界范圍內，已鑒定出1、2、3、4和5號，共5個生理小種[8-9]；其對應的毒力公式(有效抗性基因/無效抗性基因 )分別為Ht1、Ht2、Ht3、HtN/0，Ht2、Ht3、HtN/Ht1，Ht1、HtN/Ht2、Ht3，Ht1/Ht2、Ht3、HtN，Ht1、Ht3/Ht2、HtN[9-10](表1)。因采用 1989 年 Leonard 等提出的新生理小種命名系統[11]，其命名略有改變。目前，我國已報道的大斑病菌生理小種有 0，1，2，3，N,12，13，1N，23，2N，3N，12N，123N，123，23N和13N共16個類型的生理小種[12-16]。同時，浦子鋼等[4]研究表明，雖然我國玉米大斑病菌種類生理分化日趨復雜，但0號和1號小種仍為優勢小種。

表1 世界生理小種名稱及其毒力公式

2.2抗大斑病基因的來源及其遺傳特性玉米抗大斑病的基因有2種來源，即質量抗性基因和數量抗性基因：

質量抗性基因是由單顯性基因控制，包括：Ht1、Ht2、Ht3、HtN，其中Ht1毒性頻率最高，HtN最低，Ht2、Ht3毒性頻率居中；質量抗性的病斑型為褪綠斑，質量抗性基因具有可獨立遺傳和累加性。數量抗性基因由多基因控制，分布在12條染色體上，數量抗性的病斑型屬萎蔫斑，抗性表現為植株葉片上的病斑數量減少。數量抗性基因具有加性和上位性[9]。

2.3生理小種的鑒定將各生理小種接種到單基因寄主上，反應若干天后根據接種葉片的病斑形狀進行判斷。病斑可分為R型和S型。R 型：病斑狹長，初為黃綠色條形斑，后中間變褐成壞死斑，邊緣有明顯、較寬的黃色暈圈，也有的僅出現黃褐色線狀斑，稱為抗性斑；S 型：病斑初為灰綠色水浸狀斑，后擴展為梭形大斑，灰褐色，邊緣無明顯黃色暈圈，稱為萎蔫斑[17]。其反應情況見表2。

2.4我國抗大斑病育種情況20 世紀 50 年代以前,生產上主要為農家品種,具有較強水平的抗性。進入 20世紀 60 年代，主要多是雙交種、三交種 、多交種、地方的品種,種質基礎較豐富。 20 世紀 60 年代以后，出現單交種，水平抗性減弱， 玉米大斑病在我國大規模流行。育種人員對基礎材料進行人工接種鑒定，成功地轉育出了抗甸 1 1、單 891Ht1、鐵13Ht1 等一批骨干自交系，控制了玉米大斑病的流行[18]。20 世紀 80年代中期，采用回交法 、復合雜交、輪回選擇等方法進行群體改良，育種工作者育成了 178、P138、齊 319、丹 599、沈 137、18-599 等優良自交系 ，玉米大斑病得到了有效控制[19]。20 世紀 90 年代，分子生物技術被廣泛應用到玉米育種的研究中，研究者對大斑病抗性基因定位，加速玉米育種進程,提高選擇效果[20]。

表2 我國現有生理小種及其病斑反應型

當前，育種人員利用生物信息技術，多顏色空間中玉米葉部病害圖像圖論分割方法等[21]構建病害圖像模型[22]、圖像處理技術[23]，對大斑病進行全方位的研究。以東北三省為例，生產上種植的鄭單 958、丹玉系列品種、克單系列品種、東單 60、東單 80、華單 208、鐵 355/307等均對玉米大斑病有一定的抗性。在育種過程中，還發現同一品種在不同地區抗性不同，先玉335在遼寧省屬于中抗品種，但在黑龍江則為感病品種[17,24-25]。

3 育種中存在的問題

3.1玉米抗大斑病品種的選育問題在玉米抗病性育種過程中每個世代都在病圃中進行，在人工接種大斑病的條件下嚴格選擇 。玉米大斑菌有與寄主間相互作用、共同進化的復雜性。故而在玉米現有生理小種的基礎上，玉米大斑病菌可能發生變異，產生新的變異類型或者在適宜條件下原已發現的生理小種成為優勢小種。近年來,隨著我國玉米種植面積擴大,先玉 335、鄭單 958 等品種大面積單一化種植造成玉米品種對大斑病抗性不斷喪失,導致該病在我國東北及黃淮海玉米產區逐年加重。

王曉鳴等采用人工接種方法對 64 份自交系和 28 份育成材料進行鑒定，結果表明抗大斑病材料為 24 份，高抗材料只有 5份，表明自交系抗大斑病材料較少。 溫室試驗結果表明，當前吉林省主栽品種和后續品種對強毒力菌株引起的玉米大斑病抗性水平較低。田間人工接種處理，品種抗性表現也不容樂觀[26]。實際生產中，要根據當地的實際情況，及時調整品種布局，避免先玉 335 系列品種單一化大面積種植引起的大斑病暴發所帶來的生產風險。

3.2玉米抗大斑病生理機制的研究問題目前，關于各優勢生理小種的致病機理還有很多空白，積極研究大斑病的致病機理有利于在生物化學病害防治上提供更加高效的防治藥物，創造不利于發病的環境條件。

張振鐸等[27]研究表明，枯草芽孢桿菌對玉米大斑病有一定防效，該抑菌過程主要通過cAMP 信號轉導途徑發揮作用，試該驗再次證明枯草芽孢桿菌極具生防應用價值，符合農業可持續發展要求，值得大面積推廣應用。張瑩等[28]以水楊酸(SA)為誘導因子,以玉米與玉米大斑病菌構成的親和性互作體系為研究對象,系統研究水楊酸誘導玉米抗大斑病的效果及相關的抗病機制。該研究表明，SA 預處理能使感病品種的抗病性增強,抗病品種的抗病性變得更強,而且主要表現為病株率、病斑數目和病斑面積減小。這些基礎研究為其他葉面殺菌劑在實際生產中的應用提供了理論基礎。

在植物病害生物防治系統中,生防微生物的生物防治機制是關注的重點,而植物病原物如何響應并抵抗或緩解生防微生物脅迫的機制往往被忽略。 解淀粉芽孢桿菌是優良生防微生物,因其具有廣譜高效的抑菌特性而備受關注。田雪亮等[29]以解淀粉芽孢桿菌和玉米大斑病菌為生防互作系統,利用 RNA-seq 技術研究玉米大斑病菌對解淀粉芽孢桿菌生防脅迫響應的分子機制。雖然目前未發現植物病原真菌對生防微生物的抗性報道,但在持續的生防微生物抑菌活性物質脅迫下,植物病原真菌可能在響應或緩解的基礎上發展出對生防的抗性。該研究在轉錄組水平揭示的玉米大斑病菌對解淀粉芽孢桿菌生防脅迫的響應模式,為后續進一步驗證抗性相關基因的功能奠定基礎。

另外，對大斑病菌的深入研究也有利于玉米抗病性的研究。國外專家為了研究玉米大斑病菌的遺傳多樣性，開發了13個微衛星標記和交配型的PCR引物。開發的標記可用于研究玉米大斑病菌結合玉米和高粱的復制方式，對闡明種群的遺傳結構和遺傳多樣性具有重大作用。

4 抗玉米葉斑病育種的發展策略

4.1積極引進、篩選、改良和創造優良的抗大斑病種質資源豐富的抗病種質資源是有效進行抗病育種的基礎,我國雖有豐富的玉米種質資源,但在玉米雜交種選系,特別是在抗病組合選配中得以應用的卻很少。據報道,我國現已庫存玉米種質資源材料15 900 余份,其中已入目的地方玉米品種11 743份,國外材料2 000余份。應堅持國外引進和自主選育相結合的路線,加強自主選育的力度。利用國外引進的優良抗病自交系,對我國一些高、中感大斑病,但穩產性狀優良的地方血緣自交系進行抗病改良。結合各生態區的氣候條件、病原菌生理小種的分布情況,兼顧各穩產性狀,選育出適合該生態區的抗病自交系,做到有的放矢。在改良抗病種質過程中,通過有計劃地配置抗×感、抗×抗雜交及回交組合,對雜種1代、2代、3代及回交后代用多個生理小種進行鑒定,觀察其抗病性的分離比例,并經過適合性測驗后,可分析出抗病基因的顯隱性、基因對數、互作方式及其在小種抗譜上的差異,用以指導選配雜交組合及后代選擇。通過接種多個生理小種,選擇水平抗性較好的抗病種質,保證選育的抗病種質適宜不同的生態區域,延長抗病種質的利用年限[4]。

4.2選擇常規育種中的自交系要培育抗病、高產的雜交種,首先應以培育抗病、配合力強的自交系入手[10]。許多育種者主張將單基因抗性和多基因抗性二者綜合在一起,前者可抑制孢子的形成,后者可減少病斑的數量,二者互相補充和加強,使玉米抗大斑病穩定而持久[31-32]。目前育種上主要采用復合雜交、輪回選擇等方法,盡可能多地把抗病單基因集中到一個自交系中,形成多質系,再組配成高水平抗性的雜交種,并注意鑒定和篩選抗源,尋求抗源的多樣化，防止新的毒力更強的生理小種出現,以免僅具單基因抗性的玉米喪失抗病性[9]。

4.3開展抗病多基因聚合育種品種單一化會引發病害的大流行，給生產造成嚴重損失，在歷史上已經有過多次慘痛的教訓;而且隨著能克服2個，甚至3個抗性基因的生理小種的出現，尋找新的抗性基因及應用多抗基因組合品種是未來利用品種控制玉米大斑病應采取的策略[33]。 通過聚合抗病質量基因,能夠在一定程度上延緩病菌毒力的變異,延長基因的利用時期。在大斑病Ht基因組合效應方面已有研究:單基因的組合在病斑數、病斑大小和單位面積產孢量等方面均表現出顯著的抗病作用;Ht基因間具有累加效應。張培高等[33]的研究也表明,當HtN處于雜合狀態時,基因對病斑數量和病斑面積的控制效應最強。Ht1處于雜合狀態時,控制產孢量的效應最強。Ht2處于高水平垂直抗性雜合狀態下,病斑擴展控制效應最低,將抗病質量基因與抗病數量基因聚合,是未來抗病育種中更需要開展的工作。以往的研究證明,遺傳背景對顯性單基因的抗病作用有很大的影響,單基因抗性與多基因背景相結合,將能夠使抗病性得到更全面的發揮。發展玉米多基因轉化和基因聚合技術，使其具有復合性狀是未來玉米轉基因技術研究的明顯特點。孫越等[34]將cry1AcM、epsps、GAT、ZmPIS基因同時導入玉米，獲得了兼抗蟲、抗除草劑、抗干旱優良復合性狀的轉基因玉米新材料[35]。

4.4應用現代技術應用分子標記、染色體原位雜交、遺傳作圖等技術,對玉米大斑病抗性基因進行染色體定位,數量性狀基因座(QTL)分析。通過對玉米抗大斑病單基因的定位、克隆、分離及遺傳轉化等,把其導入當前主栽玉米品種的研究工作也在進行之中。另外,應用分子標記輔助選擇(MA)S 及分子標記聚合育種技術將幾個抗性單基因或者主效抗性QTL 基因座聚合到一個品種中,這將使玉米抗病育種進入分子水平。可見,加強玉米抗病蟲的分子遺傳學基礎研究,把現代分子生物學技術與常規育種緊密結合[9],隨著大量抗病基因分子標記的不斷發掘及精確定位，分子標記輔助選擇必將在玉米大斑病抗病育種中發揮重要的作用。

4.5利用生物源和非生物源誘導抗病性近幾年,在諸多學科經常提到“誘導抗性”,它是指植物在生物或物理、化學因子處理下，可以改變對病害的反應,激活了植物本身的防御系統而使植物產生局部的或系統的抗性[36-37]。作物對病害分為避病、抗侵入、抗擴展和耐病4 種抗病類型。能誘導植物產生系統抗性的物質被稱為誘抗劑，主要可以分為生物源和非生物源誘抗劑。一些感病品種經誘變后,可獲得抗病突變體。河南農業大學張瑩等在此方面做了大量的研究,利用水楊酸誘導玉米對大斑病的抗性，研究證明在玉米與大斑病菌構成的親和性互作中,玉米葉片中很多防衛機制沒有被激活，使病菌順利侵染并擴展,導致玉米產生較重的病害癥狀。水楊酸預處理激活了玉米體內固有的防衛機制，給病菌侵染和擴展造成一定的障礙,一定程度上減輕了病害癥狀[38]。在玉米抗病育種的工作中,應探索性地應用生物、物理、化學等諸多誘導因子,在玉米二環選系性狀分離時期進行人工誘導抗性。人工接種病原菌是育種者們在抗性育種中應用最廣泛的方法之一。在人工接菌過程中應注意的是:應用固定的純系生理小種對純系抗病親本和感病親本進行接種;控制適當的環境條件有利于充分發病,使抗病材料與感病材料得以清楚地區分開;采用適宜的接種方法,使供試材料發病均勻、發病機會均等;分級方法清晰準確,最好與常用分級方法一致;將分離材料一直種到F3，以便更準確地判斷單株基因型;用其他生理小種或其他純系品種重復上述工作。近幾年,由于氣候條件的影響,大斑病的嚴重危害導致了玉米的大幅減產，因此,提高玉米的抗逆性、加快抗病品種的選育已成為廣大育種者亟待研究的課題[39-40]。

目前，對玉米大斑病抗性育種的遺傳研究已較為深入，但是仍有一些問題需要研究解決，如怎樣提高抗病品種的使用年限，如何培育多抗品種，以及如何利用信息技術科學有效地防治玉米大斑病等。這些研究都較少，甚至是空白的，需要育種人員投入時間、精力進行研究，在不久將來均可突破這些問題。

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