芝麻對莖點枯病及枯萎病抗性的研究進展

王素華，張 璐，楊學(xué)樂，何錄秋

（湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125）

芝麻（Sesamum indicumL.）又名脂麻、胡麻[1]，隸屬芝麻科芝麻屬，是我國主要的油料作物之一，其種子含油率高達55%，并富含維生素、蛋白質(zhì)和脂肪酸，在我國黃淮流域和長江流域一帶廣泛種植。芝麻病害的種類很多，但發(fā)生最多、危害最重的是莖點枯病和枯萎病[2]。芝麻莖點枯病常年發(fā)病率10%～20%，重病田塊達80%以上，一般造成減產(chǎn)10%～15%，嚴重時減產(chǎn)80%以上，導(dǎo)致芝麻含油量下降4.2%～12.6%。枯萎病一般發(fā)病率5%～10%，嚴重時30%以上，且近年來危害日趨嚴重[3]。目前，由于缺乏廣譜抗源而使芝麻抗病育種尚未取得突破性進展，而且芝麻產(chǎn)區(qū)重茬種植面積較大，病害發(fā)生普遍，造成芝麻品質(zhì)和產(chǎn)量的下降[4]。

1 芝麻的抗病性鑒定

種植抗病品種是對抗病害最經(jīng)濟有效的方法，而對芝麻種質(zhì)資源進行抗病性鑒定是抗病育種工作的重要環(huán)節(jié)。幾十年來，我國科研人員利用莖點枯病和枯萎病抗性資源選育出許多抗病品種，但多數(shù)只抗一種病害，在生產(chǎn)中抗災(zāi)能力弱[5]。馮祥運等[6]從225 份資源中只找到1 份具有穩(wěn)定耐漬性、莖點枯病和枯萎病抗性的多抗性資源。

1.1 芝麻莖點枯病的抗性鑒定

芝麻莖點枯病病原菌菜豆殼球孢[Macrophomina phaseolina(Tassi) Goid]是一種非專性寄生的土傳、種傳病原真菌[7]。該菌從芝麻苗期至成熟期均有危害，而后期發(fā)生較重，危害根部、莖部和蒴果，導(dǎo)致植株死亡[8]。

許多專家學(xué)者對芝麻種質(zhì)資源進行了莖點枯病的抗性鑒定工作，篩選出一些具有明顯抗性的芝麻品種。趙輝等[9]對129 份國內(nèi)外芝麻種質(zhì)資源進行莖點枯病抗性鑒定及評價，結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)免疫類型，高抗品種和高感品種所占比例低，感病品種所占比例較大；兩年抗性鑒定表現(xiàn)均在中抗以上的種質(zhì)資源有6份。王建方[2]2011—2012 年對591 份芝麻種質(zhì)資源進行莖點枯病抗性鑒定，得到高抗品種11 份，中抗品種55 份，抗病資源不足12%。周紅英等[10]對52 份芝麻種質(zhì)資源的抗性鑒定結(jié)果顯示，沒有莖點枯病免疫資源，感病種質(zhì)37 份，抗病種質(zhì)15 份，地方種質(zhì)抗性優(yōu)于改良品種（系）。江詩洋等[11]利用3 個不同來源的莖點枯病菌株對30 份芝麻苗期種質(zhì)材料進行接菌試驗，發(fā)現(xiàn)全部種質(zhì)對武漢菌株和南陽菌株感病；有10 份種質(zhì)抗性相對較好，可進一步利用。馬昭才等[12]通過自然發(fā)病，鑒定了100 份芝麻種質(zhì)資源莖點枯病抗性，結(jié)果表明，連續(xù)4 a 重茬地塊平均發(fā)病率70.95%，平均病情指數(shù)55.81，并且品種（系）的發(fā)病率和病情指數(shù)均較農(nóng)家種低；所有材料均有不同程度的感病表現(xiàn)，相對抗病材料11 份，感病材料79 份。可見芝麻莖點枯病抗病資源非常缺乏，而且研究主要停留在抗性材料篩選上，鮮有報道能深度解析抗性資源價值，為品種改良提供有指導(dǎo)意義的育種策略。

1.2 芝麻枯萎病的抗性鑒定

芝麻枯萎病是由尖孢鐮刀菌芝麻專化型（Fusarium oxysporumf.sp. sesame）侵染引起的，芝麻在其全生育期均可被侵染[13]。20 世紀80 年代末我國率先對國內(nèi)外2 040 份芝麻品種資源進行了芝麻枯萎病抗性鑒定，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)免疫類型，高抗類型的材料29 份，抗病材料92 份[14]。H. Kavak 和E. Boydak[15]對來自土耳其東南部阿納托利亞地區(qū)3 個不同省份的26 個芝麻品系進行了芝麻枯萎病抗性篩選，獲得1 個感染率為6.6%的一級抗病品系Sanliurfa-63189。蘇銀玲[16]以“豫芝11”為對照，對169 份芝麻資源及品種進行枯萎病抗性鑒定，確定高抗品種16 份，抗病品種31 份，感病品種99 份，高感品種5 份。Badri Jyothi 等[17]從印度不同農(nóng)業(yè)氣候的地區(qū)獲得35 份芝麻種質(zhì)資源，在自然和溫室條件下進行篩選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 個高抗枯萎病的芝麻品種，發(fā)病率在13.1%～15.7%。Z.S. Ngamba等[18]從烏干達30 個推廣品種、改良品種、引進品種中篩選出2 份中抗品種EM15-1-5 和Sesim2，發(fā)病率分別為37.3%和33.8%。枯萎病在芝麻全生育期均可發(fā)生，一旦發(fā)病難以防控，種植抗病品種和實行輪作是預(yù)防枯萎病的有效方法。

2 芝麻抗病相關(guān)蛋白

目前針對芝麻抗病相關(guān)蛋白的研究較少，但與其他植物一樣，芝麻在與病原菌對抗的過程中進化出兩套天然的免疫防御系統(tǒng)：病原相關(guān)分子模式激發(fā)的免疫反應(yīng)（PTI）和效應(yīng)蛋白激發(fā)的免疫反應(yīng)（ETI）[19]。PTI 誘導(dǎo)植物產(chǎn)生非特異性的防衛(wèi)反應(yīng)（基礎(chǔ)防衛(wèi)反應(yīng)）；ETI 則由植物的抗病蛋白（R 蛋白）識別病原微生物產(chǎn)生的效應(yīng)蛋白引發(fā)，可使植物產(chǎn)生特異性的防衛(wèi)反應(yīng)[20]。科學(xué)家們對芝麻的ETI 開展了一些研究。

植物自身的免疫防御反應(yīng)是非常錯綜復(fù)雜的，在受到病原菌侵害的時候，植物體內(nèi)的防御反應(yīng)激活并產(chǎn)生防御相關(guān)激素：水楊酸、茉莉酸、乙烯、脫落酸[21]。劉紅彥[5]在豫芝11 幼苗與菜豆殼球孢互作過程中，發(fā)現(xiàn)3 個上調(diào)表達幅度較大的R 基因，這3 個基因均具有抗病相關(guān)基因的保守結(jié)構(gòu)域，分別為脫落酸受體PYL4 類似蛋白、類甜蛋白和水楊酸結(jié)合蛋白2 類似蛋白。PYL 介導(dǎo)的脫落酸信號傳導(dǎo)，在植物正常生長發(fā)育和逆境脅迫中起重要作用；茉莉酸和傷口均能誘導(dǎo)類甜蛋白的表達，其具有抗真菌活性；水楊酸結(jié)合蛋白2（SABP2）直接參與調(diào)控植物體內(nèi)水楊酸水平，對激發(fā)植物系統(tǒng)抗性具有極其關(guān)鍵的作用。

在受到病原菌侵染之后，植物內(nèi)的受體類激酶可以與內(nèi)膜上的模式識別受體（PRRs）結(jié)合，發(fā)生一系列的磷酸化反應(yīng)，例如活性氧的爆發(fā)[21]。氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、多酚氧化酶（PPO）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）等是植物體內(nèi)重要的防御酶，參與活性氧清除及酚類、木質(zhì)素和植保素等抗病相關(guān)物質(zhì)的合成，能抵御活性氧及氧自由基對細胞膜系統(tǒng)的傷害，增強植物對病害的抵抗能力[22]。劉莉銘[23]測定了接種芝麻枯萎病植株的POD、CAT、SOD、PPO 的活性，各酶的變化趨勢與植株的病情指數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系，說明他們直接參與了抗病反應(yīng)過程。

3 芝麻抗病基因的挖掘

我國芝麻抗性育種始于20 世紀80 年代，育種家們通過在田間鑒定成株期抗性反應(yīng)，用數(shù)量遺傳學(xué)方法對芝麻抗病性遺傳進行了初步研究[24]。近十年來，分子標記技術(shù)被廣泛用于芝麻抗病相關(guān)研究，目前報道最多的是標記-性狀關(guān)聯(lián)分析、抗病基因同源序列（resistance gene analogs，RGAs）分析、轉(zhuǎn)錄組分析等。

3.1 芝麻莖點枯病抗性基因的挖掘

張艷欣等[3]利用79 對EST-SSR、SRAP 和AFELP引物對216 份芝麻核心種質(zhì)進行了基因組掃描，并連續(xù)3 a 對供試群體抗病性進行鑒定，在此基礎(chǔ)上利用GLM（Q）和MLM（Q+K）模型通過關(guān)聯(lián)分析共檢測到43 個標記，它們與供試群體2～3 a 莖點枯病病情指數(shù)（DI）顯著關(guān)聯(lián)，對表型變異解釋率在1.82%～9.46%；兩種模型連續(xù)3 a 檢測到標記M7E6-1，利用該標記優(yōu)選出10 份對莖點枯病抗性穩(wěn)定的載體材料。高樹廣[25]以26 份抗莖點枯病和4 份感莖點枯病芝麻材料為DNA 模板，擴增出128 條RGAs序列，經(jīng)分析42 條序列為non-TIR-NBS-LRR 類芝麻RGAs。于沐[26]同樣利用PCR 技術(shù)得到21 個RGAs基因，BLASTX 分析結(jié)果表明，21 個RGAs的部分編碼蛋白序列與已知的含有NB-ARC 信號傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)、NBS-LRR 類型抗病基因的編碼蛋白同源性為35%～52%。Debabrata Dutta 等[27]對抗感親本及其F6 重組子進行轉(zhuǎn)錄組分析，共鑒定出26 880 個簡單重復(fù)序列（SSR）、90 181 個單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和25 063 個插入缺失（InDels）。Nidhi Radadiva 等[28]分析了2 個芝麻品種GT-10（抗病供體）和RT-373（感病供本）的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，GT-10 在接種24 h 時差異表達基因（DEGs）的數(shù)量遠高于RT-373 接種48 h 時DEGs的數(shù)量；此外在抗性反應(yīng)的GO 分析中找到3個特別的注釋：ATP 結(jié)合、核糖核苷酸結(jié)合和核酸結(jié)合。Wenqing Yan 等[29]通過比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法獲得一組與莖點枯抗性相關(guān)的核心基因，GO 分析表明它們與核糖體相關(guān)過程、果實成熟和茉莉酸介導(dǎo)的信號通路調(diào)控等有關(guān)；差異表達基因（DEGs）和差異表達蛋白（DEPs）的共表達網(wǎng)絡(luò)分析表明富亮氨酸重復(fù)受體樣激酶（LRR-RLK）蛋白可能在芝麻莖點枯抗病反應(yīng)中起重要作用。陳燕華[30]借助轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果挑選出兩個抗芝麻莖點枯病相關(guān)基因SiPYL4、SiTLP，并對其進行功能驗證，結(jié)果表明SiPYL4、SiTLP基因在擬南芥抗菜豆殼球孢侵染過程中起關(guān)鍵作用。

3.2 芝麻枯萎病抗性基因的挖掘

牛姣姣[31]利用GLM-PCA 和MLM-PCA+K 兩種模型對124 份芝麻的枯萎病抗性開展全基因組關(guān)聯(lián)分析，兩種模型同時檢測到13 個與枯萎病病情指數(shù)穩(wěn)定顯著關(guān)聯(lián)的標記，其中標記SNP170、SNP234 和SNP249 可能與枯萎病抗性顯著關(guān)聯(lián)。劉莉銘等[23]通過定量PCR 分析發(fā)現(xiàn)，在接種后，抗病品種豫芝11中POD基因的表達量從開始就有上調(diào)趨勢，而感病品種冀9014 在24 h 后才上調(diào)表達，且前者表達量高出后者5 倍多。蘇銀玲[16]選用強致病性菌株對抗感供體材料幼苗進行枯萎病菌接種處理，分別取處理0、6、12、24 h 后的植株樣本提取RNA 后進行EST 測序，結(jié)果顯示，抗感表型基因表達差異較大的單基因有694 條。Yinghui Duan 等[32]利用枯萎病抗性親本豫芝11 及其高感突變體玉芝11 雜交構(gòu)建F2分離群體，并對從中選擇的高抗和高感株系構(gòu)建的抗感基因池進行重測序，獲得了183 457 個SNPs 標記；抗感基因的關(guān)聯(lián)分析和SNP 指數(shù)確定在第3 染色體1.22 Mb 區(qū)間內(nèi)有227 個SNPs 與感病突變顯著相關(guān)；進一步的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，SiUTC115363基因中2 個SNPs 被確定為與枯萎病抗性直接相關(guān)；RNA-seq 和實時熒光定量PCR 分析表明，在侵染過程中，SiUTG115363的轉(zhuǎn)錄本被誘導(dǎo)和積累表達。

4 我國芝麻抗病育種的發(fā)展方向

世界芝麻主產(chǎn)國集中在亞洲和非洲，但各主產(chǎn)國的單產(chǎn)水平較低，中國是唯一擠身芝麻單產(chǎn)世界排名前十的主產(chǎn)國。而且我國芝麻的出口價格一直高于進口價格30%以上，證明我國芝麻品質(zhì)要優(yōu)于世界平均水平。近十年來我國芝麻產(chǎn)量水平和質(zhì)量水平穩(wěn)步提升，這得益于良種的普及和病蟲草害的有效防控。未來我國芝麻抗病育種的主要研究方向仍是廣譜抗病資源的篩選與利用，將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為品種優(yōu)勢，滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。我國在20 世紀80 年代就開始了芝麻資源的收集、評價和保存工作，目前共保存芝麻資源4 251 份，但同時抗枯萎病、莖點枯病的廣譜抗病資源不足10%[33]，雙高抗資源更是少之又少。芝麻生產(chǎn)上應(yīng)用的新品種來源單一，遺傳基礎(chǔ)狹窄，需要進一步挖掘廣譜抗源以應(yīng)對病原菌生理小種高速變異的選擇壓力。過去育種家們通過遠緣雜交、聚合育種等方法選育出豫芝9 號、中芝11等優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗病品種[34]，現(xiàn)在研究人員利用芝麻全基因組關(guān)聯(lián)分析已開發(fā)出大量與抗病基因緊密連鎖的分子標記，對目標基因進行選擇；未來，分子標記輔助選擇、基因編輯、體細胞融合、重離子誘變等技術(shù)將會越來越多地結(jié)合到傳統(tǒng)育種中，極大推進芝麻抗病育種的進程。